Engineering Protein Structure and Interactions to Create Next Generation Optogenetic Tools

工程蛋白质结构和相互作用以创建下一代光遗传学工具

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2018-04364
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 8.81万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2019-01-01 至 2020-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Light-based technologies are revolutionizing our understanding of biological systems at the most fundamental level and steadily guiding researchers towards new diagnostic and therapeutic approaches. As a form of energy, light enables us to perceive shape and colour, and it is the primary means by which most of us make sense of the world around us. By virtue of its very ubiquity and innocuousness, light is a powerful and attractive tool for biological research. If properly harnessed, light can allow us to non-invasively visualize and control biology as it happens in cells and model organisms. ***Over the past two decades, researchers have been figuring out an ever-increasing number of ways to harness light energy to probe cells and tissues in model organisms. One of the first major breakthroughs in this direction dates to 1994, when researchers first reported that a particular protein from jellyfish could be introduced into the cells of other animals, and cause them to glow green when illuminated by blue light. Another major breakthrough came a decade later, when researchers reported a protein from algae that, when introduced into mammalian neurons, would make the neurons fire upon illumination with blue light. These two breakthroughs stand tall as the prototypical examples of “optogenetic” tools proteins that interact with light and enable researchers to either visualize or manipulate cells. ***In this proposal we aim to add entirely new capabilities to the toolbox of optogenetic tools. As optogenetic tools are necessarily proteins, we will use the strategy of protein engineering to change the properties of optogenetic tools and bestow them with properties that do not occur in nature. As one research Theme, we will work to create singular “optogenetic beacon” structures that exist inside the cell of interest and provide a colourful readout of the cell's activity. A second research Theme builds upon our recent report of an engineered protein that can be split into two pieces using light. We now propose to use this protein to build cages inside the cell that can be opened or closed with light. These cages can be used to non-invasively trap or release proteins and will give biologists a powerful new tool for deciphering intracellular signalling pathways. As a third Theme, we will work to develop an improved system that converts changes in protein interactions or function into colour changes that can be easily visualized through a microscope. ***Altogether, we are certain that our work will represent the next step forward for the field of optogenetics and lay the foundation for future breakthroughs in our understanding of cell biology, in health and disease.
基于光的技术正在彻底改变我们对生物系统最基本层面的理解,并稳步引导研究人员走向新的诊断和治疗方法。作为一种能量形式,光使我们能够感知形状和颜色,它是我们大多数人感知周围世界的主要手段。由于其无处不在和无害,光是生物研究的一个强大而有吸引力的工具。如果利用得当,光可以让我们非侵入性地可视化和控制生物学,因为它发生在细胞和模型生物体中。 * 在过去的二十年里,研究人员一直在寻找越来越多的方法来利用光能探测模型生物中的细胞和组织。这一方向的第一个重大突破可以追溯到1994年,当时研究人员首次报告说,水母中的一种特殊蛋白质可以被引入其他动物的细胞中,并使它们在蓝光照射下发出绿色光。另一个重大突破出现在十年后,当时研究人员报告了一种来自藻类的蛋白质,当将其引入哺乳动物神经元时,会使神经元在蓝光照射下放电。这两项突破是“光遗传学”工具蛋白质的典型例子,它们与光相互作用,使研究人员能够可视化或操纵细胞。* 在这项提案中,我们的目标是为光遗传学工具的工具箱增加全新的功能。由于光遗传学工具必然是蛋白质,我们将使用蛋白质工程的策略来改变光遗传学工具的特性,并赋予它们自然界中不存在的特性。作为一个研究主题,我们将致力于创建存在于感兴趣的细胞内的单一“光遗传学信标”结构,并提供细胞活动的彩色读数。第二个研究主题建立在我们最近报告的一种工程蛋白质的基础上,这种蛋白质可以利用光分成两部分。我们现在建议使用这种蛋白质在细胞内构建可以用光打开或关闭的笼子。这些笼子可以用来非侵入性地捕获或释放蛋白质,并将为生物学家提供一个强大的新工具来破译细胞内信号通路。作为第三个主题,我们将致力于开发一种改进的系统,将蛋白质相互作用或功能的变化转化为可以通过显微镜轻松可视化的颜色变化。总而言之,我们确信我们的工作将代表光遗传学领域的下一步,并为我们对细胞生物学,健康和疾病的理解的未来突破奠定基础。

项目成果

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Discrepancy between Learning and Practicing Digital Citizenship
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