The precise regulation of protein activity is fundamental to life. The allosteric control of an active site by a remote regulatory binding site is a mechanism of regulation found across protein classes, from enzymes to motors to signaling proteins. We describe a general approach for manipulating allosteric control using synthetic optical switches. Our strategy is exemplified by a ligand-gated ion channel of central importance in neuroscience, the ionotropic glutamate receptor (iGluR). Using structure-based design, we have modified its ubiquitous clamshell-type ligand-binding domain to develop a light-activated channel, which we call LiGluR. An agonist is covalently tethered to the protein through an azobenzene moiety, which functions as the optical switch. The agonist is reversibly presented to the binding site upon photoisomerization, initiating clamshell domain closure and concomitant channel gating. Photoswitching occurs on a millisecond timescale, with channel conductances that reflect the photostationary state of the azobenzene at a given wavelength. Our device has potential uses not only in biology but also in bioelectronics and nanotechnology.

The ability to stimulate select neurons in isolated tissue and in living animals is important for investigating their role in circuits and behavior. We show that the engineered light-gated ionotropic glutamate receptor (LiGluR), when introduced into neurons, enables remote control of their activity. Trains of action potentials are optimally evoked and extinguished by 380 nm and 500 nm light, respectively, while intermediate wavelengths provide graded control over the amplitude of depolarization. Light pulses of 1-5 ms in duration at approximately 380 nm trigger precisely timed action potentials and EPSP-like responses or can evoke sustained depolarizations that persist for minutes in the dark until extinguished by a short pulse of approximately 500 nm light. When introduced into sensory neurons in zebrafish larvae, activation of LiGluR reversibly blocks the escape response to touch. Our studies show that LiGluR provides robust control over neuronal activity, enabling the dissection and manipulation of neural circuitry in vivo.

ABSTRACT Artificial control of neuronal activity enables studies of neural circuits and restoration of neural function. Direct, rapid, and sustained photocontrol of intact neurons could overcome shortcomings of established electrical stimulation such as poor selectivity. We have developed fast photoswitchable ligands of glutamate receptors to establish such control in the auditory system. The new photoswitchable ligands produced photocurrents in untransfected neurons upon covalently tethering to endogenous glutamate receptors and activating them reversibly with visible light pulses of few milliseconds. As a proof of concept of these molecular prostheses, we apply them to the ultrafast synapses of auditory neurons of the cochlea that encode sound and provide auditory input to the brain. This drug-based method affords kilohertz rate stimulation of auditory neurons of adult gerbils without genetic manipulation that would be required for their optogenetic control. The new photoswitchable ligands are also broadly applicable to spatiotemporally control fast spiking interneurons in the brain.

ABSTRACT Glycine receptors (GlyRs) are indispensable to maintain excitatory/inhibitory balance in neuronal circuits controlling reflex and rhythmic motor behaviors. Here we have developed Glyght, the first GlyR ligand controlled with light. It is selective over other cys-loop receptors, active in vivo , and displays an allosteric mechanism of action. The photomanipulation of glycinergic neurotransmission opens new avenues to understand inhibitory circuits in intact animals, and to develop drug-based phototherapies.

Abstract Acetylcholine and the cholinergic system are crucial to brain function, including functions like consciousness and cognition. Dysregulation of this system is implicated in the pathophysiology of neurological conditions, such as Alzheimer’s disease. For this reason, cholinergic neuromodulation is relevant in both basic neuroscience and clinical neurology. In this study, we used photopharmacology to modulate neuronal activity using the novel selective type-1 muscarinic (M1) photoswitchable drugs: the agonist benzyl quinolone carboxylic acid–azo-iperoxo (BAI) and the antagonist cryptozepine-2. Our aim was to investigate the control over these cholinergic receptors by means of light, to investigate the effects of these drugs on the physiological spontaneous slow waves and on epileptic activity in the cerebral cortex. We first used transfected HEK cell cultures and demonstrated BAI's preferential activation of M1 muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) compared to M2 mAChRs. Next, we found that white light illumination of BAI increased the frequency of spontaneous slow wave activity in brain cortical networks of both active slices and anesthetized mice, through M1-mAChRs activation. Illumination of cryptozepine-2 with UV light effectively suppressed not only the muscarinic-induced increase slow waves frequency, but also muscarinic-induced epileptiform discharges. These findings not only shed light on the role of M1 acetylcholine receptors in the cortical network dynamics but also lay the ground for developing advanced light-based pharmacological therapies. Photopharmacology offers the potential for high precision spatiotemporal control of brain networks with high pharmacological specificity in both healthy and disease conditions.

Abstract A problem of systemic pharmacotherapy is off‐target activity, which causes adverse effects. Outstanding examples include neuroinhibitory medications like antiseizure drugs, which are used against epilepsy and neuropathic pain but cause systemic side effects. There is a need of drugs that inhibit nerve signals locally and on‐demand without affecting other regions of the body. Photopharmacology aims to address this problem with light‐activated drugs and localized illumination in the target organ. Here, we have developed photoswitchable derivatives of the widely prescribed antiseizure drug carbamazepine. For that purpose, we expanded our method of ortho azologization of tricyclic drugs to meta / para and to N‐bridged diazocine. Our results validate the concept of ortho cryptoazologs (uniquely exemplified by Carbazopine‐ 1 ) and bring to light Carbadiazocine ( 8 ), which can be photoswitched between 400–590 nm light (using violet LEDs and halogen lamps) and shows good drug‐likeness and predicted safety. Both compounds display photoswitchable activity in vitro and in translucent zebrafish larvae. Carbadiazocine ( 8 ) also offers in vivo analgesic efficacy (mechanical and thermal stimuli) in a rat model of neuropathic pain and a simple and compelling treatment demonstration with non‐invasive illumination.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis (CME) is an essential cellular process, which is evolutionarily conserved among eukaryotes. Yeast constitutes a powerful genetic model to dissect the complex endocytic machinery, yet there is a lack of pharmacological agents that could complement genetics in selectively and reversibly interfere with CME in these organisms. TL2 is a light-regulated peptide inhibitor that targets the AP2/β-arrestin interaction and that can photocontrol CME with high spatiotemporal precision in mammalian cells. Here, we study endocytic protein dynamics by live-cell imaging of the fluorescently tagged coat-associated protein Sla1-GFP and demonstrate that TL2 retains its inhibitory activity in S. cerevisiae spheroplasts, thus providing a unique tool for acute and reversible CME modulation in yeast.

The physiological activity of proteins is often studied with loss-of-function genetic approaches, but the corresponding phenotypes develop slowly and can be confounding. Photopharmacology allows direct, fast and reversible control of endogenous protein activity, with spatiotemporal resolution set by the illumination method. Here, we combine a photoswitchable allosteric modulator (alloswitch) and two-photon excitation (2PE) using pulsed near-infrared lasers to reversibly silence metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu5) activity in intact brain tissue. Endogenous receptors can be photoactivated in neurons and astrocytes with pharmacological selectivity and with an axial resolution between 5 and 10 μm. Thus, two-photon pharmacology (2PP) using alloswitch allows investigating mGlu5-dependent processes in wild type animals, including synaptic formation and plasticity, and signaling pathways from intracellular organelles.

Behavior is driven by specific neuronal activity and can be directly associated with characteristic brain states. The oscillatory activity of neurons contains information about the mental state of an individual, and the transition between physiological brain states is largely controlled by neuromodulators. Manipulating neural activity, brain rhythms or synchronization is of significant therapeutic interest in several neurological disorders and can be achieved by different means such as transcranial current and magnetic stimulation techniques, and by light through optogenetics, although the clinical translation of the latter is hampered by the need of gene therapy. Here, we directly modulate brain rhythms with light using a novel photoswitchable muscarinic agonist. Synchronous slow wave activity is transformed into a higher frequency pattern in the cerebral cortex both in slices in vitro and in anesthetized mice. These results open the way to the study of the neuromodulation and control of spatiotemporal patterns of activity and pharmacology of brain states, their transitions, and their links to cognition and behavior, in different organisms without requiring any genetic manipulation.