Un nouveau biocapteur éclaire les signaux physiologiques des animaux vivants

Eric Schreiter et Luke Lavis pensaient avoir trouvé la solution. En 2021, les responsables du groupe Janelia ont annoncé avoir développé un moyen de combiner les biocapteurs protéiques conçus par Schreiter et les colorants fluorescents Janelia Fluor de Lavis.

Ces capteurs, capables de détecter différents signaux physiologiques et de les éclairer avec une lumière rouge lointaine, permettraient en théorie aux scientifiques de réaliser des images sur des animaux vivants et de suivre simultanément plusieurs signaux physiologiques, deux aspects de l’imagerie biologique difficiles à réaliser avec les capteurs existants. La lumière rouge lointaine peut pénétrer plus profondément dans les tissus que les autres longueurs d’onde et elle offre aux scientifiques une couleur supplémentaire à utiliser en plus des teintes typiques, comme le vert et le rouge, utilisées en imagerie biologique.

« Tout se passait à merveille, c’était fantastique, et nous étions heureux, jusqu’à ce que nous essayions d’utiliser les capteurs sur des animaux, et cela a échoué », se souvient Schreiter. « C’était un peu décevant. »

Heureusement, Helen Farrants venait d’arriver à Janelia pour son postdoctorat dans le laboratoire de Schreiter, et elle a accepté le défi de redévelopper les biocapteurs protéiques pour réaliser leur intention initiale.

En partant de zéro, Farrants a créé une nouvelle façon pour les biocapteurs protéiques conçus et les colorants JF de fonctionner ensemble, permettant à l’équipe d’atteindre son objectif de mesurer les signaux physiologiques chez les animaux vivants. Leur premier capteur de preuve de principe, baptisé WaloCaMPpeut détecter les signaux calciques, un élément clé de la communication cellulaire, chez les mouches à fruits, les poissons zèbres et les souris vivants.

Cette nouvelle technique peut également être utilisée pour créer toute une série de capteurs permettant de suivre d’autres signaux d’intérêt. La possibilité d’observer ces signaux physiologiques chez des animaux vivants pourrait donner aux biologistes un aperçu de la manière dont les cellules, les tissus et les organes travaillent ensemble pour assurer des fonctions importantes.

« Helen est partie de zéro, de zéro, et a reconstruit toute cette stratégie pour combiner des colorants et des biocapteurs protéiques », explique Schreiter. « WHaloCaMP est la première démonstration, mais ce ne sera pas la dernière. Ce sera vraiment une nouvelle stratégie générale dans le domaine de la fabrication de biocapteurs fluorescents pour l’imagerie physiologique, en particulier dans le rouge lointain. »

Ouvrir une nouvelle voie

Le principal obstacle que Farrants et son équipe ont dû surmonter était de trouver une autre façon de faire fonctionner ensemble le biocapteur protéique et le colorant JF.

Les premiers capteurs créés par l’équipe utilisaient des colorants qui se transformaient en fluorescence. Cependant, ces colorants ne pouvaient pas pénétrer dans les tissus animaux, un problème qui est devenu évident lorsque l’équipe a essayé d’utiliser le capteur sur des animaux vivants et n’a pas réussi à détecter de signaux.

Après avoir essayé différentes stratégies pendant plus d’un an, Farrants a eu l’idée d’utiliser des parties spécifiques de la protéine du capteur pour activer ou désactiver la fluorescence, plutôt que d’utiliser un changement de forme du colorant. L’équipe a ajouté un acide aminé appelé tryptophane au capteur protéique bio-conçu à proximité du colorant attaché. Lorsque le colorant est en contact étroit avec le tryptophane, le colorant s’éteint. En présence de calcium, la protéine change de forme : le tryptophane s’éloigne du colorant et ce dernier s’allume.

« Pendant un an et demi, rien n’a fonctionné, mais je me souviens du jour où j’ai apporté ce changement au tryptophane et où j’ai constaté un tout petit changement dans la fluorescence lorsque j’ai ajouté du calcium. Je savais que nous avions au moins un point de départ, que nous avions une accroche », se souvient Farrants.

Voir les signaux

L’utilisation du tryptophane pour moduler la fluorescence du colorant a permis l’utilisation de colorants facilement absorbés par les tissus et utilisés chez les animaux vivants.

Les chercheurs ont montré que le WHaloCaMP pouvait être utilisé pour détecter des signaux calciques chez des mouches à fruits, des poissons zèbres et des souris vivants. Ils ont également montré qu’il pouvait être utilisé avec d’autres capteurs pour détecter jusqu’à trois signaux en même temps en utilisant des couleurs distinctes. Chez le poisson zèbre, ils ont montré qu’ils pouvaient détecter simultanément les changements de glucose dans les cellules, les signaux calciques dans les muscles et les signaux calciques dans les neurones.

L’équipe travaille actuellement avec l’équipe du projet GENIE de Janelia pour développer une version améliorée de WHaloCaMP. Elle travaille également avec des biologistes de Janelia pour utiliser la nouvelle stratégie afin de développer des capteurs permettant de détecter d’autres signaux physiologiques et de créer des capteurs avec des colorants JF supplémentaires. L’équipe a également mis sa stratégie de construction de biocapteurs à la disposition de la communauté scientifique au sens large, et d’autres groupes ont commencé à développer des versions supplémentaires des capteurs.

Farrants affirme que le projet n’aurait pas été possible sans l’interaction et la collaboration qui se produisent chez Janelia, ce qui lui permet, ainsi qu’à d’autres chimistes, de créer des outils dont les biologistes ont besoin et qu’ils souhaitent.

« J’aime beaucoup bricoler et créer des outils, mais si je sais que ce que je construis et ce avec quoi je bricole a une application qui va intéresser quelqu’un, je pense que c’est ce qui rend cela amusant et gratifiant », explique Farrants. « C’est ce que j’aime chez Janelia : on peut interagir avec les gens au quotidien. Cela se produit également dans le monde scientifique au sens large, mais Janelia est un endroit spécial. »