Ultrafast Genetically Encoded Voltage Indicators Designed from First Principles

根据第一原理设计的超快基因编码电压指示器

基本信息

  • 批准号:
    9288761
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 44.47万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-05-01 至 2022-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT: The ability to optically record neuronal electrical activity with the temporal and fine-feature waveform resolution on par with whole-cell patch clamp electrophysiology would permit the correlation, of the physiology of individual cells and cell types, to the neural circuit-level activity that underlies behaviors, cognition, and affective states observed in the normal and diseased brain. Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) hold great promise for this purpose as cell-type specific probes, if their voltage-sensitivity, brightness, and temporal resolution can be engineered to provide the reliable detection of high frequency action potentials, the detection of sub-threshold “minis” critical to synaptic scaling and homeostatic plasticity, and the ability to resolve waveforms useful for deducing specific channel/receptor contributions to spiking and synaptic transmission. We propose to invent next-generation GEVIs through rational design from first principles of non- biologically derived proteins. We will adapt artificial protein “maquettes,” which are de novo-designed and rigid 4-helix bundle proteins that serve as custom scaffolds for arbitrarily positioning biological co-factors within the scaffold core. Strategic positioning of a biliverdin chromphore within a transmembrane maquette allows for voltage sensing by the optical Stark effect, in which chromophores exhibit electric field-induced changes in absorbance that result in ultrafast changes in observed fluorescence. We call these proteins, “MASTERs” (Maquette Stark Effect Reporters). The ultrafast infrared-fluorescent reporters will recapitulate whole-cell recordings with no observable delay or waveform difference.
抽象的: 使用临时和精细波形通过光学记录神经元电活动的能力 与全细胞贴片夹电生理学的分辨率将允许生理的相关性 基于行为,认知和 情感状态在正常和解剖的大脑中观察到。遗传编码的电压指标(GEVIS) 如果其电压敏感性,亮度和 可以设计临时分辨率,以提供对高频动作电位的可靠检测 检测对突触缩放和稳态可塑性至关重要的子阈值“ minis”的检测 解析波形可用于推论特定的通道/受体贡献对尖峰和突触的贡献 传播。我们建议通过从非 - 生物衍生的蛋白质。我们将适应人造蛋白“ maquettes”,这些蛋白质是从头设计和僵化的 4-螺旋束蛋白作为定制脚手架,以任意定位生物辅助因子 脚手架核心。在跨膜maquette中,双列氏蛋白染色体的战略定位允许 通过光学鲜明效应传感的电压传感,其中发色团暴露了电场诱导的变化 吸光度会导致观察到的荧光的超快变化。我们称这些蛋白质为“大师” (Maquette Stark效果记者)。超快红外荧光记者将概括整个细胞 没有可观察到的延迟或波形差的记录。

项目成果

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