Sviluppata una bioluminescenza rossa più efficiente


Sviluppata una bioluminescenza rossa più efficiente

Gli scienziati hanno sviluppato una nuova bioluminescenza luciferin-luciferase a emissione di luce rossa molto più efficiente di quella disponibile.

La bioluminescenza, l'emissione di luce fredda da parte degli organismi viventi, è stata oggetto di molti studi multidisciplinari che coinvolgono fisica, chimica e biologia, dando luogo a importanti scoperte scientifiche e applicazioni biotecnologiche nel secolo scorso. Può essere considerato come una delle firme della vita, e per questo è stato utilizzato come un eccellente bioindicatore a livello molecolare, cellulare, organismico e biosferico. Nell'ambiente terrestre è presente tra batteri, funghi, anellidi, molluschi e soprattutto tra gli artropodi. Tra gli insetti, il sistema dei coleotteri bioluminescenti è ben noto, mentre i sistemi dei Ditteri bioluminescenti rimangono in gran parte sconosciuti. Il Brasile ospita la più grande biodiversità di organismi bioluminescenti al mondo, inclusi coleotteri, funghi e specie marine. Tuttavia, ad eccezione delle indagini e degli studi sui coleotteri bioluminescenti della foresta pluviale atlantica e, più recentemente, dei funghi, si sa poco della biodiversità bioluminescente del bioma di Cerrado e della foresta amazzonica che sono gravemente minacciate dal progresso agricolo.

I ricercatori dell'Università Federale di São Carlos (UFSCar) nello stato di San Paolo, Brasile, hanno sviluppato un nuovo sistema luciferin-luciferase a emissione di luce rossa molto più efficiente di quelli disponibili in commercio. Un articolo sull'argomento è pubblicato sull'International Journal of Molecular Sciences. (1)

Lo studio è stato sostenuto dalla São Paulo Research Foundation - FAPESP tramite il progetto tematico “Bioluminescenza degli artropodi: diversità biologica nei biomi brasiliani, origine biochimica, evoluzione strutturale / funzionale delle luciferasi, differenziazione molecolare delle lanterne, applicazioni biotecnologiche, ambientali ed educative”, (2) per il quale l'investigatore principale è il dottor Vadim Viviani, (3) biochimico e professore all'UFSCar.

«Abbiamo ottenuto un nuovo sistema luciferin-luciferase che produce luce rossa lontana alla lunghezza d'onda di 650 nanometri ed emette la bioluminescenza più brillante mai riportata in questa parte dello spettro. È un risultato molto promettente per l'imaging di bioluminescenza di processi biologici e patologici nei tessuti dei mammiferi», Ha detto Viviani.

Le luciferasi sono enzimi che catalizzano l'ossidazione delle luciferine, composti presenti in alcuni animali, alghe e funghi. La reazione di ossidazione è responsabile del fenomeno della bioluminescenza, che consiste nell'emissione di luce a lunghezze d'onda che vanno dal blu al rosso.

Il sistema luciferin-luciferase della lucciola è ampiamente utilizzato per aiutare a produrre immagini di colture cellulari e modelli animali vivi. Aiuta i medici a monitorare le metastasi, ad esempio, e vedere come i tumori rispondono al trattamento. Viene anche utilizzato per seguire il processo di infezione virale e gli effetti dei farmaci candidati sui virus, incluso il nuovo coronavirus.

Il professor Vadim Viviani spiega: «La bioluminescenza rossa è preferita durante l'imaging di processi biologici o patologici nei tessuti dei mammiferi perché l'emoglobina, la mioglobina e la melanina assorbono poca luce a lunga lunghezza d'onda. La rilevazione è migliore di tutte nelle bande del rosso lontano e del vicino infrarosso, ma i sistemi bioluminescenti che emettono naturalmente il rosso lontano la luce non esiste. Alcune forme geneticamente modificate di luciferasi e analoghi sintetici di luciferine naturali sono prodotte commercialmente. Insieme, producono luce a lunghezze d'onda fino a 700 nanometri, ma la luce prodotta da questi sistemi artificiali è generalmente molto più debole e di durata più breve della luce da sistemi bioluminescenti naturali».

Viviani e collaboratori hanno utilizzato l'ingegneria genetica per modificare la luciferasi dal worm Railroad Phrixothrix hirtus, l'unica luciferasi che emette naturalmente luce rossa, clonata dal dottor Viviani due decenni fa. Questo hanno combinato con analoghi della luciferina sintetizzati dai colleghi dell'Università di Electro-Communications a Tokyo, in Giappone. Il risultato è stato un sistema molto più efficiente della luciferina-luciferasi rossa.

Il professor Vadim Viviani dice: «La nostra migliore combinazione produce un rosso lontano a 650 nanometri, tre volte più luminoso della luciferina e della luciferasi naturali, e circa 1.000 volte più luminoso della stessa luciferasi con un analogo commerciale. Oltre alla lunga lunghezza d'onda e all'intensa luminosità, la nostra combinazione ha una migliore stabilità termica e penetrabilità della membrana cellulare. Soprattutto, produce una bioluminescenza continua più duratura, impiegando almeno un'ora per decadere e facilitando in modo significativo l'imaging in tempo reale dei processi biologici e patologici».

Il progetto era la continuazione di una tesi (4) di dottorato recentemente difesa da Vanessa Rezende Bevilaqua (5) sull'effetto degli analoghi sintetici della luciferina sulla luciferasi rossa di Phrixothrix. Gli altri coautori sono il candidato al dottorato Daniel Sousa, Gabriel Felder Pelentir (6) con una borsa di studio per l'iniziazione scientifica, (7) e Michio Kakiuchi e Takashi Hirano in Giappone.

Informazioni su São Paulo Research Foundation (FAPESP)

La São Paulo Research Foundation (FAPESP) è un'istituzione pubblica con la missione di sostenere la ricerca scientifica in tutti i campi della conoscenza assegnando borse di studio, borse di studio e sovvenzioni a ricercatori collegati con l'istruzione superiore e gli istituti di ricerca nello Stato di San Paolo, Brasile. FAPESP è consapevole che la migliore ricerca può essere fatta solo lavorando con i migliori ricercatori a livello internazionale. Pertanto, ha stabilito partnership con agenzie di finanziamento, istruzione superiore, società private e organizzazioni di ricerca in altri paesi noti per la qualità della loro ricerca e ha incoraggiato gli scienziati finanziati dalle sue sovvenzioni a sviluppare ulteriormente la loro collaborazione internazionale. (8)

Riferimenti:

(1) A Very Bright Far-Red Bioluminescence Emitting Combination Based on Engineered Railroad Worm Luciferase and 6'-Amino-Analogs for Bioimaging Purposes

(2) Arthropod bioluminescence: biological diversity in Brazilian biomes, biochemical origin, structural/functional evolution of luciferases, molecular differentiation of lanterns, biotechnological, environmental and educational applications

(3) Vadim Viviani

(4) Selection of Phrixothrix hirtus luciferase mutants (Coleoptera: Phengodidae) with higher catalytic constants and affinities for luciferin and ATP to the development of more efficient luciferases

(5) Vanessa Rezende Bevilaqua

(6) Gabriel Felder Pelentir

(7) Engineering Amydetes vivianii luciferase for use as bioanalytical reagent and as metal biosensor

(8) São Paulo Research Foundation (FAPESP)

Descrizione foto: Sviluppato in collaborazione con ricercatori giapponesi, produce una luce rossa molto più brillante e più duratura. L'innovazione può essere utilizzata per visualizzare cellule e tessuti per la diagnosi e la ricerca biomedica. - Credit: International Journal of Molecular Sciences.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Brazilian researchers obtain more efficient red bioluminescence

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