Om te begrijpen hoe het komt dat een lichaamscel zich deelt, een hormoon uitscheidt of een signaal doorgeeft aan een andere cel, gebruiken biologen vaak een truc. Ze hangen een soort gekleurde lampjes aan de eiwitten die ze interessant vinden, zodat ze onder de microscoop de verplaatsingen en interacties van die eiwitten in levende cellen kunnen volgen. Hoe meer kleuren lampjes, hoe meer processen tegelijk te volgen zijn.

In de jaren negentig gebruikten wetenschappers voor het eerst een fluorescerend eiwit als kleurcode in de cel. Dat eiwit was groen en kwam uit een fluorescerende kwal. Door te sleutelen aan dat groene eiwit volgden in de jaren daarop blauwe, turquoise en gele varianten. In de jaren 2000 werd een rood fluorescent eiwit ontdekt in koralen. Maar om daar een goed bruikbaar en fel rood lampje in de cel van te maken, was een stuk uitdagender.

Creatie mScarlet3

In 2016 slaagde het team van Gadella er in om een nieuw helder rood fluorescerend eiwit te maken dat een enorme sprong vooruit was. Ze doopten dat eiwit mScarlet. Hun rood oplichtende eiwit werd snel door de wetenschappelijke wereld opgepikt. Het DNA dat codeert voor mScarlet, is inmiddels zo’n 3400 keer aangevraagd en wordt nu in vrijwel alle landen ter wereld gebruikt voor celbiologisch onderzoek.

Helaas bleek het mScarlet eiwit in zoogdiercellen zich wat langzamer en minder compleet te vouwen dan veel gebruikte groen fluorescerende eiwitten, waardoor de helderheid niet maximaal was. Daarom zijn de onderzoekers verder gegaan met de ontwikkeling om de vouwing te versnellen en te maximaliseren. Hierbij gebruikten ze twee varianten van mScarlet die ze reeds ontwikkeld hadden, een met een snelle vouwing maar mindere helderheid en een met langzame vouwing maar met uiteindelijk wel heldere fluorescentie. Ze probeerden de positieve eigenschappen van deze twee samen te brengen in een nieuw eiwit. Met hulp van een aantal gerichte aanpassingen in de structuur van het eiwit wisten ze dit voor elkaar te krijgen, waardoor mScarlet3 ontstond. Dit combineert nu maximale helderheid met snelle en complete vouwing.

Om de structuur van mScarlet3 te testen, stuurden de biologen hun rode creatie ten slotte naar het Institut de Biologie Structurale in Grenoble ((CNRS, CEA, Université Grenoble Alpes). Structuurbioloog Antoine Royant gebruikte de Europese Synchrotron ESRF, 's werelds helderste röntgenbron, om de moleculaire structuur van het eiwit in kaart te brengen. Royant: 'Daaruit bleek dat mScarlet3 zo helder is door een speciale hydrofobe (olieachtige) lokale structuur in het eiwit, die het vouwen van het eiwit zowel versnelt als verbetert.'

Nieuwe standaard

Met deze nieuwe, sterk verbeterde versie van het rood oplichtende eiwit is de toolbox die wetenschappers in het laboratorium tot hun beschikking hebben completer dan ooit. Gadella: ‘Er waren al ontzettend positieve ervaringen met mScarlet, en daarom verwachten we dat mScarlet3 nog populairder zal zijn onder onderzoekers en snel de nieuwe standaard wordt wereldwijd. Helder rood fluorescerende eiwitten zijn zeer gewild omdat het aanstralen van rode eiwitten minder schadelijk is voor cellen dan het aanstralen van groene eiwitten. Bovendien wordt rood licht minder verstrooid en daarmee kun je met de microscoop ook in dieper gelegen cellagen naar moleculaire processen kijken. Met mScarlet3 hebben we eindelijk een zeer robuust helder rood fluorescent eiwit dat zich snel en compleet vouwt zonder verdere nadelen. We verwachten veel van nieuwe toepassingen met mScarlet3 onder andere voor het maken van nieuwe rood fluorescerende biosensoren waar mScarlet3 gebruikt kan worden om specifieke celfuncties af te beelden.’

De genetische code van mScarlet3 is door de UvA geoctrooieerd.

Details van de publicatie

Theodorus W.J. Gadella Jr, Laura van Weeren, Jente Stouthamer, Mark A. Hink, Anouk H.G. Wolters, Ben N.G. Giepmans, Sylvain Aumonier, Jérôme Dupuy, Antoine Royant, mScarlet3: a brilliant and fast maturing red fluorescent protein; Nature Methods, DOI: 10.1038/s41592-023-01809-y