Исследователи приблизили «белковые схемы» к межклеточной коммуникации

Синтетическая биология позволяет добавлять клеткам новые функции, например, способность производить новые материалы или специфически обнаруживать и реагировать на заболевания. Однако этот процесс имеет недостатки, в частности, неэффективность, которую химический инженер из Стэнфордского университета Сяоцзин Гао стремится преодолеть.

Ученые давно умеют создавать такие функции с помощью генных схем — синтетических сетей генов, интегрируемых в клетки для реакции на определенные триггеры. Но для работы эти гены сначала должны быть транслированы в белки. Более быстрой альтернативой являются «белковые схемы», построенные непосредственно из белков, минуя промежуточные этапы. Однако у них есть серьезный недостаток: они работают только внутри клетки, тогда как большинство биологических процессов требует коммуникации между клетками.

Гао и его команда приблизили белковые схемы к межклеточной коммуникации. В статье, опубликованной 17 февраля в Nature Communications, они описывают новую платформу RELEASE (Retained Endoplasmic Cleavable Secretion), которая позволяет схемам либо высвобождать белки из клетки, либо отображать их на ее поверхности. В перспективе клетки смогут реагировать на эти белки. По словам ведущего автора статьи, постдока в области химической инженерии Александра Влахоса, это позволит «создать небольшое количество инженерных клеток, которые смогут влиять на другие клетки».

Новый процесс

Новый процесс имитирует естественное функционирование клетки. В обычных клеточных схемах белки получают информацию и передают ее дальше, модифицируя следующий белок в цепи. Один из естественных способов такой модификации — использование протеаз, ферментов, разрезающих белки в специфичных сайтах, активируя или деактивируя их. Синтетические белковые схемы работают аналогично, добавляя клеткам новые функции, но делают это «незаметно», не вмешиваясь в нормальные процессы клетки.

Платформа RELEASE также эмулирует типичные способы межклеточной коммуникации. Многие клетки используют для общения белки — секретируя их или отображая на поверхности, чтобы соседние клетки могли их детектировать и реагировать. RELEASE добавляет эту способность к белковым схемам, расширяя их возможности. «Мы не изобретаем колесо», — говорит Влахос.

Внутри клетки похоже на переполненный город, где десятки миллионов белков движутся к своим целям. Белки «знают», куда идти, благодаря коротким меткам, указывающим направление. В RELEASE Влахос и Гао используют такие метки, присоединяя одну из них к белку, который нужно секретировать. Эта специфичная метка удерживает белок внутри клетки, но может быть удалена определенной протеазой. Когда эта протеаза добавляется к клеткам с белковой схемой, она разрезает метку, высвобождая (RELEASE-ing) белок и позволяя ему секретироваться.

«Схема как лекарство»

Одно из потенциальных применений этой работы — борьба с раками, вызванными мутантными белками, которые сложно атаковать традиционными препаратами. Для таких случаев Влахос и Гао (старший автор статьи) предлагают подход «схема как лекарство». Клетки, несущие схему, будут детектировать мутантный белок и реагировать двояко: уничтожая мутантные клетки и секретируя белки, активирующие иммунный ответ против рака.

Белковые схемы и RELEASE — это первые два шага к реализации подхода «схема как лекарство». Следующие шаги включат разработку дополнительных платформ для полного участия белковых схем в межклеточной коммуникации. Это добавление сенсоров, позволяющих инженерным клеткам реагировать на изменения среды, и изучение реакции соседних клеток на секретируемые белки.

Для Влахоса, чей бэкграунд связан с регенеративной медициной, следующий шаг — оптимизация RELEASE и использование всех преимуществ белковых схем для создания лучших программируемых клеток, которые можно будет применять в регенеративной медицине и клеточной терапии. «Сяоцзин и я разрабатывали RELEASE с конечной целью: получить программируемые клетки, которые могут общаться с другими объектами. Это и есть общая картина».