Sintetski biološki sklopovi s brzom reakcijom

Sintetski biolozi MIT-a razvili su novi pristup dizajniranju bioloških sklopova koji se oslanja isključivo na brze, reverzibilne interakcije između proteina. To znači da nema čekanja da se geni transkribiraju ili prevode u proteine, pa se sklopovi mogu uključiti puno brže, u roku od nekoliko sekundi.

„Sada imamo metodologiju za dizajniranje interakcija s proteinima koje se javljaju u vrlo brzom vremenskom razdoblju, a koju nitko nije uspio sustavno razviti. Dolazimo do točke da možemo projektirati bilo koju funkciju u vremenskim razmacima od nekoliko sekundi ili manje “, kaže Deepak Mishra, znanstveni suradnik s Odjela za biološko inženjerstvo MIT-a i vodeći autor ove studije.

Unutar živih stanica interakcije proteina s proteinima bitni su koraci u mnogim signalnim putovima, uključujući one koji su uključeni u aktivaciju imunoloških stanica i odgovore na hormone ili druge signale. Mnoge od ovih interakcija uključuju jedan protein koji aktivira ili deaktivira drugi dodavanjem ili uklanjanjem kemijskih skupina nazvanih fosfati.

U ovom istraživanju istraživači su koristili stanice kvasca za smještaj svog sklopa i stvorili mrežu od 14 proteina iz raznih vrsta, uključujući kvasac, bakterije, biljke i ljude. Znanstvenici su te proteine modificirali kako bi mogli međusobno regulirati mrežu dajući signal kao odgovor na određeni događaj.

Njihova mreža, prvi sintetski sklop koji se sastoji isključivo od interakcija proteina i proteina fosforilacija/defosforilacija, zamišljena je kao preklopni prekidač - sklop koji se može brzo i reverzibilno prebacivati ​​između dva stabilna stanja, omogućavajući mu da se "sjeća" određenog događaja kao što je npr. izloženost određenoj kemikaliji. U ovom je slučaju meta sorbitol, šećerni alkohol koji se nalazi u mnogim vrstama voća i šumskim plodovima.

Jednom kada se sorbitol otkrije, stanica pohranjuje uspomenu na izloženost u obliku fluorescentnog proteina lokaliziranog u jezgri. Ovo se sjećanje također prenosi na buduće generacije stanica. Strujni krug može se također i resetirati izlaganjem drugoj molekuli, u ovom slučaju kemikaliji koja se naziva izopentenil adenin.

Te se mreže mogu programirati i za izvršavanje drugih funkcija kao odgovor na ulaz. Da bi to demonstrirali, istraživači su dizajnirali sklop koji isključuje sposobnost stanica da se dijele nakon otkrivanja sorbitola.

Koristeći velike nizove ovih stanica, istraživači mogu stvoriti ultraosjetljive senzore koji reagiraju na niske koncentracije s udjelom od jedan naprema milijardu, a zbog brzih interakcija proteina s proteinima, signal se može pokrenuti za samo jednu sekundu, dok bi kod tradicionalnih sintetičkih sklopova za to trebali sati ili čak dani.

Jednom kada su izgradili ovaj sustav, istraživači su se pitali postoji li možda sličan u živim stanicama. Koristeći računski model koji su sami dizajnirali, otkrili su šest kompliciranih mreža koje se javljaju u prirodi i koje nikada prije nisu bile viđene.

Istraživači se sada nadaju da će koristiti svoje sklopove zasnovane na proteinima za razvoj senzora koji bi se mogli koristiti za otkrivanje onečišćujućih tvari u okolišu. Druga potencijalna primjena je postavljanje prilagođenih proteinskih mreža unutar stanica sisavaca koje bi mogle djelovati kao dijagnostički senzori u ljudskom tijelu za otkrivanje abnormalnih razina hormona ili šećera u krvi. Dugoročno gledano, predviđaju dizajniranje sklopova koji bi se mogli programirati u ljudske stanice za prijavljivanje predoziranja drogom ili predviđanje skorog srčanog udara.

Čitav znanstveni rad objavljen u časopisu Science možete pronaći na ovoj poveznici.