Zdolność komórki do interpretowania sygnałów zewnętrznych i przekształcania ich w określone reakcje w kontekstach fizjologicznych lub patologicznych jest kierowana przez dedykowane grupy białek. Udział dowolnego białka w takich złożonych reakcjach jest często definiowany przez jego subkomórkową lokalizację, poziom ekspresji i czas przejściowej, trwałej lub oscylacyjnej aktywacji. Analiza roli tych indywidualnych parametrów w regulacji sygnalizacji wymaga metod zdolnych do odtworzenia skomplikowanej czasoprzestrzennej kontroli aktywności białek na poziomie subkomórkowym. Tradycyjne techniki, takie jak manipulacje genetyczne i inhibitory małocząsteczkowe, nie spełniają oczekiwań pod tym względem. Natomiast techniki optogenetyczne obiecują potencjał w zakresie analizy procesów biologicznych poprzez manipulowanie lub naśladowanie procesów fizjologicznych i patologicznych. Jednak obecne narzędzia często nie mają szerokiego zastosowania ani kontroli subkomórkowej. Kilka istniejących strategii zapewnia ścisłą regulację lokalizacji i interakcji białek; ale nie mają bezpośredniej kontroli nad aktywnością enzymatyczną1,2,3,4. Inne umożliwiają regulację aktywności enzymatycznej, ale mogą nie mieć kontroli subkomórkowej lub mają ograniczoną przydatność w różnych klasach enzymów5,6,7,8,9. W tym dokumencie dotyczącym protokołu opisujemy nowatorską metodę inżynierii białek, która łączy zalety optogenetyki w jednym narzędziu: ścisłą regulację czasową, przestrajalną kinetykę, kontrolę subkomórkową i szerokie zastosowanie enzymów10. Zaprojektowaliśmy domenę regulowaną światłem (LightR), która działa jak przełącznik allosteryczny po wprowadzeniu do docelowego białka będącego przedmiotem zainteresowania. Strategia ta umożliwia ścisłą czasoprzestrzenną kontrolę aktywacji i dezaktywacji białka będącego przedmiotem zainteresowania w żywych komórkach.
Tutaj omówiono projekt i strategię zastosowania narzędzia optogenetycznego LightR w kilku klasach enzymów. Badanie to oferuje krok po kroku protokół opracowania, scharakteryzowania i zastosowania regulowanej światłem kinazy tyrozynowej Src (LightR-Src). Badanie dodatkowo demonstruje możliwość przestrajania kinetyki inaktywacji przełącznika LightR. Wolno dezaktywujący się przełącznik LightR może utrzymywać aktywność enzymów przy zmniejszonej częstotliwości oświetlenia, podczas gdy wersja z szybką jazdą na rowerze, FastLightR, wymaga częstszego podświetlania do aktywacji, ale wykazuje szybką dezaktywację, gdy oświetlenie jest wyłączone. Aktywacja/inaktywacja FastLightR-Src w żywych komórkach indukuje cykle rozprzestrzeniania się i wycofywania komórek. Rozprzestrzenianie się komórek indukowane przez FastLightR-Src zgadza się z fizjologiczną rolą kinazy Src11,12. Ze względu na szybką kinetykę inaktywacji, FastLightR-Src może być również regulowany na poziomie subkomórkowym, co powoduje stymulację lokalnych wypukłości i polaryzację komórek. Aby zademonstrować możliwość zastosowania narzędzia LightR do innych typów enzymów, pokrótce przeprowadzimy czytelników przez podobny sukces z zmodyfikowaną kinazą bRaf regulowaną światłem (LightR-bRaf, FastLightR-bRaf) i specyficzną dla miejsca rekombinazą DNA Cre (LightR-Cre). Ogólnie rzecz biorąc, podejście to może przyczynić się do pogłębienia naszej wiedzy na temat złożonych szlaków sygnałowych kształtujących patofizjologię różnych chorób.