Indicador de tensão codificado geneticamente - Genetically encoded voltage indicator

O indicador de voltagem geneticamente codificado (ou GEVI ) é uma proteína que pode detectar o potencial de membrana em uma célula e relacionar a mudança na voltagem a uma forma de saída, geralmente nível fluorescente . É uma ferramenta de registro optogenética promissora que permite exportar sinais eletrofisiológicos de células em cultura, animais vivos e, finalmente, do cérebro humano. Exemplos de GEVIs notáveis ​​incluem ArcLight, ASAP1, ASAP3, Archons, SomArchon e Ace2N-mNeon.

História

Apesar de a ideia de medição óptica da atividade neuronal ter sido proposta no final dos anos 1960, o primeiro GEVI bem-sucedido, conveniente o suficiente para ser colocado em uso real, não foi desenvolvido até que as tecnologias de engenharia genética se tornassem maduras no final dos anos 1990. O primeiro GEVI, denominado FlaSh, foi construído pela fusão de uma proteína fluorescente verde modificada com um canal de K ⁺ sensível à voltagem ( Shaker ). Ao contrário das proteínas fluorescentes, a descoberta de novos GEVIs raramente foi inspirada pela natureza, pois é difícil encontrar um organismo que tenha naturalmente a capacidade de alterar sua fluorescência com base na voltagem. Portanto, os novos GEVIs são principalmente produtos da engenharia genética e de proteínas.

Dois métodos podem ser utilizados para encontrar novos GEVIs: design racional e evolução direcionada . O método anterior contribui para a maioria das novas variantes do GEVI, mas pesquisas recentes usando a evolução direcionada têm mostrado resultados promissores na otimização do GEVI.

Estrutura

GEVI pode ter muitos projetos de configuração para realizar a função de detecção de tensão. Uma característica essencial da estrutura GEVI é que ele deve se situar na membrana celular. Conceitualmente, a estrutura de um GEVI deve permitir a função de detectar a diferença de voltagem e reportá-la pela mudança na fluorescência. Normalmente, o domínio de detecção de voltagem (VSD) de um GEVI se estende pela membrana e está conectado à (s) proteína (s) fluorescente (s). No entanto, não é necessário que a detecção e o relatório aconteçam em estruturas diferentes, por exemplo, Arcontes.

Por estrutura, GEVIs podem ser classificados em quatro categorias com base nas descobertas atuais: (1) GEVIs contêm um par de proteína FRET fluorescente, por exemplo, VSFP1, (2) GEVIs de opsina única, por exemplo, Arch, (3) GEVIs de par Opsin-FP FRET, por exemplo, MacQ-mCitrine, (4) FP único com tipos especiais de domínios de detecção de tensão, por exemplo, ASAP1. A maioria dos GEVIs é baseada na fosfatase sensível à voltagem Ciona intestinalis (Ci-VSP ou Ci-VSD (domínio)), que foi descoberta em 2005 a partir do levantamento genômico do organismo. Alguns GEVIs podem ter componentes semelhantes, mas com posicionamentos diferentes deles. Por exemplo, ASAP1 e ArcLight usam um VSD e um FP, mas o FP de ASAP1 está do lado de fora da célula, enquanto o de ArcLight está do lado de dentro, e os dois FPs de VSFP-Butterfly são separados pelo VSD, enquanto os dois FPs de Mermaid são relativamente próximos um do outro.

1. ^{↑ Os} nomes em itálico indicam GEVIs não nomeados.

Características

Um GEVI pode ser avaliado por suas muitas características. Essas características podem ser classificadas em duas categorias: desempenho e compatibilidade. As propriedades de desempenho incluem brilho, fotoestabilidade , sensibilidade, cinética (velocidade), linearidade de resposta, etc., enquanto as propriedades de compatibilidade cobrem toxicidade ( fototoxicidade ), localização da membrana plasmática, adaptabilidade de imagem de tecido profundo, etc. Por enquanto, não existe O GEVI atende a todas as propriedades desejadas, portanto, buscar um GEVI perfeito ainda é uma área de pesquisa bastante competitiva.

Aplicações e vantagens

Diferentes tipos de GEVIs estão sendo desenvolvidos em muitas áreas de pesquisa biológica ou fisiológica. É considerado superior aos métodos convencionais de detecção de voltagem, como registros eletrofisiológicos baseados em eletrodos , imagens de cálcio ou corantes sensíveis à voltagem . Tem resolução espacial subcelular e resolução temporal tão baixa quanto 0,2 milissegundos, cerca de uma ordem de magnitude mais rápida do que a imagem de cálcio. Isso permite fidelidade de detecção de pico comparável à eletrofisiologia baseada em eletrodo, mas sem a capacidade de invasão. Os pesquisadores o usaram para sondar as comunicações neurais de um cérebro intacto (de Drosophila ou camundongo), spikes elétricos de bactérias ( E. coli ) e cardiomiócitos derivados de células-tronco humanas .

Referências