Optogenetics and biotechnology : production and in vitro characterization of Ab-Initio designed channelrhodopsin-2 mutants

Dissertação de mestrado em Biotecnologia Farmacêutica, apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de CoimbraNos últimos anos têm sido desenvolvidas várias ferramentas para permitir o controlo de neurónios específicos, possibilitando o estudo da sua função. Estas novas ferramentas superam a falta de selectividade e o fraco controlo temporal proveniente do uso de estimulação eléctrica no controlo de actividade neuronal. A optogenética refere-se á integração de óptica e genética para obter um ganho ou perda de função em eventos bem definidos dentro de células específicas em tecido vivo. A capacidade de “ligar” e “desligar” neurónios utilizando luz é de facto uma tecnologia inovadora que oferece uma solução para limitações passadas. A optogenética, considerada por vários especialistas como ‘’método do ano’’ e ‘’inovação da década’’, em 2010, é utilizada para hiperpolarizar ou despolarizar neurónios alvo, de uma forma menos invasiva, utilizando luz e usufruindo de uma alta resolução espacial e escala temporal na ordem dos milissegundos. Esta técnica tem permitido o mapeamento e estudo de redes neuronais com uma grande eficácia. A ‘’Channelrhodopsin-2’’ (ChR2) é um canal catiónico sensível à luz, derivado da microalga Chlamydomonas reinhardtii. Na última década, a ChR2 tornou-se o arquétipo central e a principal ferramenta da optogenética. Actualmente, a caixa de ferramentas optogenética está em contínua actualização, com contribuições de estratégias de engenharia protéica, tais como mutagénese dirigida e a construção de quimeras com troca de domínios de diferentes espécies de channelrhodopsin. No entanto, alguns aspectos da forma ‘’wild-type’’ da ChR2 ainda requerem atenção e melhoramento. Estes incluem o seu espectro de acção, cinética, níveis de expressão, inactivação, condutância e exactidão de pico de absorção. Em termos de propriedades espectrais, poucas variantes desta proteína têm sido geradas e completamente caracterizadas com sucesso. No entanto, o aprimorar do espectro de activação da ChR2 e do formato do respectivo pico de absorção são algumas das propriedades mais desejadas. A ChR2 é excitada preferencialmente com comprimentos de onda de luz azul (470nm), o que limita o seu uso em material biológico de alta taxa de difusão, tal como o cérebro. Luz de excitação com maiores comprimentos de onda diminui a difusão de luz produzida por tecidos biológicos, e não é absorvida pela hemoglobina, assim, formas da ChR2 ‘’red-shifted’’, a absorver luz vermelha ou mesmo perto de infravermelha, são ferramentas desejáveis para a excitação de tecidos profundos. Alem disto, variantes ‘’blue-shifted’’ são também ferramentas atrativas para desenvolver, XXI dado que a combinação de várias ChR2 que apresentem sensibilidades a diversos comprimentos de onda permitiriam a estimulação de diferentes populações neuronais sem interferência entre si. Neste projecto, realizámos um desenho ab-initio para produzir quatro novas variantes de ChR2, usando uma abordagem de mutagénese dirigida no ambiente do cromófero da ChR2 alterando de forma radical os resíduos alvo. As mutações foram selecionadas com a aplicação de Time Dependent – Density Functional Theory (TDDFT) para prever o espectro de absorção dos mutantes selecionados da ChR2. O ‘’colour tuning’’ da ChR2 foi alcançado em quatro novas variantes criadas. Em particular, fomos capazes de gerar três variantes ‘’red-shifted’’ e uma ‘’blue-shifted’’. Após caracterização espectral, as variantes F217D e F269D apresentaram um ‘’red-shift’’ significativo de 90nm, a variante L221D apresentou um ‘’red-shift’’ de 180nm, a variante F269H apresentou um ‘’blue-shift’’ de 20nm. Apesar dos nossos resultados, é necessária uma caracterização protéica adicional, tal como a avaliação do tráfego membranar em neurónios e as características electrofisiológicas destes novos mutantes para determinar as proriedades cinéticas do canal. Neste trabalho, também conseguimos definir e descrever com sucesso a expressão e purificação da ChR2 ‘’wild-type’’ e de todas as quatro novas variantes no sistema eucariótico de expressão heteróloga - Pichia pastoris. Por fim, o nosso estudo valida as previsões de Time- Dependent Density Functional Theory e revela que abordagens de simulação biofísica podem ser utilizadas com vista à criação de variantes de ChR2 inteligentemente desenhadas. O desenho de novas variantes ChR2, seguindo a lógica racional aplicada, é uma abordagem poderosa e fiável para obter proteínas optimizadas para estratégias biotecnológicas. Os resultados originais obtidos com este trabalho demonstram potential para aplicações futuras, já que novas e melhoradas variantes de ChR2 continuarão a desempenhar um papel central no desenvolvimento e implementação da optogenéticaOver the last few years, several tools have been developed to allow the control over specific types of neuron to enable the study of their function. These novel tools aim to overcome the lack of selectivity and the poor temporal control that derives from trying to control neuronal activity with electrical stimulation. Optogenetics refers to the integration of optics and genetics to obtain gain or loss of function in well-defined events and within specific cells in living tissue. The capacity to turn neurons “on and off” using light is indeed a groundbreaking technology that has become a solution for past limitations. Considered by many, “method of the year” and “breakthrough of the decade”, in 2010, optogenetics is used to hyperpolarize or depolarize specific targeted neurons using light in a less invasive manner, with high spatial resolution and a temporal resolution on the scale of milliseconds. This technique has allowed the mapping and study of neuronal networks with demonstrated efficacy. Channelrhodopsin-2 (ChR2) is a light-gated cation channel, derived from the microalga Chlamydomonas reinhardtii. In the last decade, ChR2 has become the central archetype and the main tool of optogenetics. Presently, the optogenetic toolbox is under continuous update, with contributions from protein engineering strategies, such as site-directed mutagenesis and construction of chimeras with domain swaps between channelrhodopsins of different species. However, some aspects of the wild-type form of ChR2 still require attention and enhancement. These include its action spectra, kinetics, expression levels, inactivation, conductance and absorption peak sharpness. In terms of spectral properties, few variants of this protein have been successfully generated and fully characterized. Nevertheless, tuning of ChR2 activation spectra and absorption peak sharpness are one of the most sought after properties. ChR2 is optimally excitable at a wavelength of blue light (470nm), which limits its use in high light-scattering biologic material, such as the brain. However, long-wavelength excitation light decreases the scattering of light produced by biological tissues and is not absorbed by haemoglobin. Thus, a red-shifted form of ChR2, absorbing red or even near infrared light would be a desirable tool for the excitation of relatively deep tissues. Furthermore, blue-shifted variants would also be attractive tools to develop, since the combination of ChR2 proteins with well separate wavelength sensitivities, combined with multicoloured optics, would permit the stimulation of different neuronal populations with no XXIII interference between them. In this project, we performed ab-initio design to produce four new ChR2 variants, using a radical site-directed mutagenesis approach on target residues in the environment of the ChR2 chromophore. The mutations were selected with the application of Time Dependent – Density Functional Theory (TDDFT) to predict the absorption spectra of ChR2 selected mutants. We achieved successful colour tuning of ChR2 with our four newly created variants. In particular, we were able to generate three red-shifted and one blue–shifted variant. After spectral characterization, the F217D and F269D variants presented a significant 90nm red shift, the L221D variant had a 180nm red shift and the F269H variant presented a 20nm blue shift. Despite our results, additional protein characterization is needed, such as the assessment of membrane trafficking in neurons and an electrophysiological characterization to determine channel kinetic proprieties for each of the variants. In this work, we were also able to define and describe the successful expression and purification of wild type ChR2 and of all the new four variants using the eukaryotic Pichia pastoris heterologous expression system. Finally, our study validates Time-Dependent Density Functional Theory predictions and reveals that biophysical simulation approaches may be used towards the creation of intelligently designed ChR2 variants. The design of new ChR2 variants, following our applied rationale, is a powerful and reliable approach to obtain enhanced proteins for biotechnological strategies. The original output obtained here shows potential for future optogenetic application, as new and improved ChR2 variants will continue to play a central role in the development and implementation of optogenetic