Descrizione del progetto
Nanosfere di encapsuline come reporter genici innovativi per microscopia elettronica
Le encapsuline sono piccole proteine batteriche che si assemblano automaticamente in nanosfere, nelle quali le reazioni chimiche avvengono senza effetti tossici sulle cellule. Attraverso la programmazione genetica, è possibile creare, all’interno di cellule viventi, nanosfere con struttura, diametro e funzionalizzazione differenti. Se proteine cargo in grado di legarsi ai metalli sono incapsulate all’interno delle nanosfere, si creano reporter genici per microscopia elettronica, con un contrasto solido e preciso sotto il profilo spaziale, per applicazioni nelle cellule di mammifero. Il progetto EMcapsulins, finanziato dall’UE, produrrà la prima serie di reporter genici multiplex per microscopio elettronico, impiegati per studiare i diagrammi del circuito cerebrale (connettomi) al fine di ottenere informazioni fondamentali sulla tipologia neuronale e sulla storia di attivazione del neurone. I reporter modulari incapsulati forniranno una tecnologia in grado di unire le misure delle dinamiche di attivazione neuronale, ottenute tramite microscopia ottica con risoluzione temporale, a dati di connettomica derivanti dalla microscopia elettronica strutturale.
Obiettivo
The biological engineering project EMcapsulins will create the first suite of multiplexed genetic reporters for electron microscopy (EM) to augment today’s merely structural brain circuit diagrams (connectomes) with crucial information on neuronal type and activation history.
My team will generate this new toolbox based on genetically encoded nanocompartments of the prokaryotic ‘encapsulin’ family that we have recently shown to enable genetically controlled compartmentalization of multicomponent processes in mammalian cells.
By encapsulating metal-organizing cargo proteins in the lumen of the semi-permeable encapsulin nanospheres, they serve as fully genetic EM gene reporters (EMcapsulins) that provide robust and spatially precise contrast by conventional EM in mammalian cells.
To enable geometric multiplexing in EM in analogy to multi-color light microscopy, we will explore the large geometrical feature space of EMcapsulins to establish three core Functionalities:
① different shell structures and diameters,
② modular and tunable shell functionalizations, and
③ multiplexed and triggered cargo loading.
We will combine these Functionalities to produce geometrically multiplexed EMcapsulin markers of neuronal identity in serial EM (Application ❶).
We will also engineer EMcapsulin reporters for activity-dependent gene expression, calcium signaling, and synaptic activity that can ‘write’ geometrically encoded records of neuronal activation history into EM connectomics data (Application ❷).
These ‘multi-color’ and modular EMcapsulin markers and reporters deliver the missing bridging technology between time-resolved light microscopy measurements of neuronal activation dynamics and structural EM connectomics data.
EMcapsulin technology will convert structural to functional EM connectomes to enable a systematic analysis of how brains write molecular signaling dynamics into structural patterns to store information for later retrieval.
Campo scientifico
Parole chiave
Programma(i)
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
ERC-COG - Consolidator GrantIstituzione ospitante
80333 Muenchen
Germania