Программирование белков для превращения клеток в молекулярные компьютеры

Новый метод «разрезания» и «сборки» белков может ускорить создание сложных компьютероподобных схем внутри клеток, что открывает путь к новым биотехнологическим и медицинским достижениям.

Метод упростит создание клеток, запрограммированных вести себя как диагностические средства или биосенсоры — например, для обнаружения болезней в организме или токсинов в окружающей среде.

Он также может стать более быстрым, дешёвым и простым способом сборки крупных «дизайнерских» белков с множеством применений, таких как антитела или белки для вакцин и клеточной терапии.

Техника расширяет инструментарий синтетической биологии, позволяя программировать белки для управления поведением сложных систем внутри клеток, создавая заданные пути и системы сигнализации.

Ключевая черта более сложных генетических схем, имитирующих электронные, — способность создавать логическое поведение, например, преобразовывать два сигнала в ответ.

Команда под руководством исследователей из Эдинбургского университета разработала метод программирования белков с такой двойной логической функцией, открыв путь к точному контролю, необходимому в биовычислительных схемах.

Одна из простейших логических операций в клетках — функция логического И (AND gate). Для неё требуется два разных молекулярных входных сигнала, которые производят выходной сигнал — активацию или подавление гена.

Это требует программирования белков, регулирующих гены и функции клетки. «Разрезание» гена, кодирующего белок, на две части инактивирует его и позволяет каждой части быть настроенной на получение разных сигналов.

При получении обоих сигналов гены активируются, производятся две белковые субъединицы, которые связываются, формируя исходный белок, активирующий или подавляющий целевой ген.

Однако ключевое ограничение при создании логических схем в клетках — случайные точки разрыва в генах, кодирующих белки, могут нарушить их функцию и помешать последующей сборке белка.

Чтобы решить эту проблему, команда использовала подвижные генетические элементы — транспозоны — для поиска точек разрыва, которые сохраняют функцию белка и позволяют позже соединить две субъединицы.

Транспозоны, или «прыгающие гены», распространены в геноме и перемещаются, контролируя использование генов.

Используя изобретательность существующего генетического инструментария природы, транспозоны позволяют учёным протестировать все потенциальные точки разрыва в генетической последовательности белка, чтобы найти оптимальное место.

Ранее исследователям приходилось полагаться на сложные компьютерные программы или трудоёмкую лабораторную работу, чтобы делать предположения или тестировать точки разрыва, которые не разрушат белок.

Техника также даёт исследователям лучший контроль над переключателем «вкл/выкл» в генетических схемах, так как собранные белки не рискуют стать частично активными в состоянии «выкл» — это частая проблема.

Достижение основано на более ранней работе команды по созданию библиотеки белковых «клеев» — сплит-интеинов, которые действуют как «молекулярная липучка», бесшовно соединяя белковые субъединицы.

Этот процесс, известный как белковый сплайсинг, позволяет собирать очень крупные белки из меньших единиц, не нарушая функцию белка.

Интеины также являются частью природного инструментария, распространены у многих форм жизни и входят в состав аппарата производства белков в клетках. Они тонко настраивают и модифицируют белки после их сборки.

Совместное использование транспозонов и сплит-интеинов открывает путь для более лёгкого программирования белков с логическими функциями, необходимыми для создания более сложных генетических схем.

Технику также можно использовать для проектирования и массового производства очень крупных белков со свойствами, полезными для медицины или промышленности, но которые сейчас сложно или дорого производить.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, финансировалось стипендией UKRI Future Leaders Fellowship, присуждённой доктору Вану, и Leverhulme Trust. В нём участвовали исследователи из Microsoft Research Cambridge, Университета Турку и Чжэцзянского университета.