Биоинженеры разработали конструктор для создания «умных клеток»
Биоинженеры из Университета Райса разработали новый конструктор для создания пользовательских сенсорно-реактивных цепей в человеческих клетках. Исследование, опубликованное в журнале Science, представляет собой крупный прорыв в области синтетической биологии, который может революционизировать терапию сложных заболеваний, таких как аутоиммунные расстройства и рак.
Новый подход к дизайну искусственных клеточных цепей основан на фосфорилировании — естественном процессе, который клетки используют для реакции на окружающую среду, заключающемся в добавлении фосфатной группы к белку. В многоклеточных организмах сигналинг на основе фосфорилирования часто представляет собой многоступенчатый каскадный эффект.
Предыдущие попытки использовать этот механизм для терапевтических целей в человеческих клетках были сосредоточены на перепроектировании существующих нативных сигнальных путей. Однако сложность этих путей ограничивала их применение.
Прорыв стал возможен благодаря смене перспективы: исследовательская группа поняла, что каждый цикл в каскаде фосфорилирования можно рассматривать как элементарный блок. Эти блоки можно связывать вместе новыми способами для создания совершенно новых путей, соединяющих клеточные входы и выходы.
«Это кардинально расширяет пространство для проектирования сигнальных цепей. Оказывается, циклы фосфорилирования не просто взаимосвязаны, но и взаимосоединяемы», — сказал Калеб Башор, доцент биоинженерии и биологических наук, автор-корреспондент исследования.
Их стратегия проектирования позволила создать синтетические фосфорилирующие цепи, которые не только легко настраиваются, но и могут функционировать параллельно с собственными процессами клеток, не влияя на их жизнеспособность или скорость роста.
Модульный подход к клеточному дизайну доказал способность воспроизводить важное свойство нативных каскадов фосфорилирования — усиление слабых входных сигналов в макроскопические выходные реакции. Экспериментальные наблюдения подтвердили прогнозы количественного моделирования команды.
Ещё одно преимущество нового подхода в том, что фосфорилирование происходит быстро, за секунды или минуты. Это позволяет запрограммировать новые синтетические цепи для реакции на физиологические события, происходящие в аналогичном временном масштабе. Для сравнения, многие предыдущие конструкции синтетических цепей были основаны на других молекулярных процессах, например, транскрипции, которая может занимать много часов.
Исследователи также протестировали цепи на чувствительность и способность реагировать на внешние сигналы, такие как воспалительные факторы. Чтобы доказать трансляционный потенциал, команда использовала эту систему для создания клеточной цепи, способной обнаруживать эти факторы. Такая цепь потенциально может использоваться для контроля аутоиммунных обострений и снижения токсичности, связанной с иммунотерапией.
«Наше исследование доказывает, что можно создавать программируемые цепи в человеческих клетках, которые быстро и точно реагируют на сигналы. Это первый отчёт о конструкторе для проектирования синтетических фосфорилирующих цепей», — сказал Башор.