LITOS: uma versátil ferramenta de iluminação LED para estimulação optogenética

Dec 22, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13139 (2022) Citar este artigo

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A optogenética tornou-se uma ferramenta chave para manipular processos biológicos com alta resolução espaço-temporal. Recentemente, vários dispositivos de iluminação multipoços comerciais e de código aberto foram desenvolvidos para fornecer rendimento em experimentos de optogenética. No entanto, os dispositivos comerciais disponíveis permanecem caros e carecem de flexibilidade, enquanto as soluções de código aberto requerem conhecimento de programação e/ou incluem processos de montagem complexos. Apresentamos uma Ferramenta de Iluminação LED para Estimulação Optogenética (LITOS) baseada em uma placa de circuito impresso montada controlando uma matriz LED 32 × 64 disponível comercialmente como fonte de iluminação. O LITOS pode ser montado rapidamente sem qualquer solda e inclui uma interface fácil de usar, acessível por meio de um site hospedado no próprio dispositivo. Padrões de estimulação de luz complexos podem ser facilmente programados sem experiência em codificação. O LITOS pode ser usado com diferentes formatos de placas multipoços, placas de Petri e frascos. Validamos o LITOS medindo a atividade da via de sinalização MAPK/ERK em resposta a diferentes regimes dinâmicos de estimulação luminosa usando atuadores optogenéticos FGFR1 e Raf. O LITOS pode estimular uniformemente todas as células em um poço e permite esquemas flexíveis de estimulação temporal. A acessibilidade e facilidade de uso do LITOS visam democratizar a optogenética em qualquer laboratório.

Embora a optogenética tenha sido usada pela primeira vez em neurobiologia1, agora é amplamente utilizada para controlar uma ampla variedade de processos biológicos celulares com alta resolução espaço-temporal2. Isso foi possível pela descoberta de vários domínios de proteínas responsivas à luz que foram projetados para construir atuadores para controlar quase todos os processos biológicos celulares2. A precisão da optogenética para perturbar os sistemas celulares pode levar a uma compreensão mais profunda de sua regulação dinâmica3. No entanto, experimentos optogenéticos também requerem hardware de estimulação óptica apropriado.

Uma configuração experimental optogenética clássica usa microscópios de luz automatizados para estimular células que expressam atuadores optogenéticos e para registrar qualquer saída celular desejada. Quando combinado com biossensores espectralmente compatíveis em um microscópio de fluorescência, esta configuração pode controlar a entrada celular usando o atuador optogenético e registrar a dinâmica de saída usando o biossensor4. Isso provou ser uma abordagem muito poderosa para estudar a dinâmica de sinalização5,6,7. Infelizmente, o campo de visão do sistema de lentes do microscópio limita o número de células que recebem a estimulação luminosa. Assim, os microscópios não podem estimular células suficientes para medir as saídas celulares usando métodos bioquímicos. Além disso, o número de diferentes padrões de estimulação de entrada que podem ser induzidos em paralelo é restrito. Finalmente, qualquer controle optogenético de longo prazo de células em escalas de tempo de vários dias pode ser impraticável ou muito caro, especialmente em instalações de microscopia.

O uso de uma fonte de iluminação dedicada para separar a estimulação do processo de imagem contorna algumas dessas limitações. Faixas de LED montadas em uma incubadora podem ser usadas para estimular um atuador optogenético em um grande número de células, abrindo a possibilidade de medir saídas celulares usando métodos bioquímicos como western blot, proteômica ou transcriptômica8.

Configurações mais avançadas combinam microcontroladores e fontes de luz para iluminar especificamente poços individuais de placas de vários poços. Isso permite estimular vários poços com diferentes padrões de entradas de luz em paralelo, resultando em maior rendimento experimental. Várias soluções de hardware que aproveitam os LEDs como fontes de iluminação foram desenvolvidas9,10,11,12. Esses dispositivos de código aberto são bastante baratos, mas exigem conhecimento de programação e podem contar com experiência em fabricação não disponível na maioria dos laboratórios. Recentemente, alguns produtos comerciais (por exemplo, LUMOS da AXION Biosystems) entraram no mercado, mas seu custo continua alto. Um dispositivo barato, fácil de montar e fácil de usar que forneça flexibilidade experimental ainda está faltando na comunidade optogenética.