Пользовательские схемы для живых клеток
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали биологический набор инструментов из белков, которые можно собирать вместе, как кубики Lego, для программирования нового поведения клеток. В качестве доказательства концепции они спроектировали и создали схему, которую можно добавить к человеческим клеткам, растущим в лабораторной чашке, чтобы она обнаруживала активацию гена, вызывающего рак, и, в случае обнаружения, заставляла клетки самоуничтожаться.
Исследование было проведено в лаборатории Майкла Эловица, профессора биологии и биоинженерии, а также исследователя Медицинского института Говарда Хьюза. Статья с описанием работы опубликована в выпуске журнала Science от 21 сентября.
Синтетическая биология изучает, как модифицировать клетки, чтобы придать им новые функции — от простых задач, таких как периодическое включение и выключение, до более сложных программ, таких как обнаружение и реагирование на патологические состояния. Обычно это делается путем редактирования генома клетки, что приводит к постоянной модификации, передающейся при репликации клетки. По словам Эловица, одной из главных целей в синтетической биологии является переход от этой парадигмы к менее генетически постоянным решениям. Подобно использованию съемной ленты вместо суперклея, цель — разработать терапевтические «схемы», которые можно было бы вводить, выполнять функцию, а затем исчезать после выполнения своей задачи. В идеале они должны быть высокоселективными: вместо воздействия на все клетки без разбора терапевтические схемы могли бы обнаруживать, когда что-то идет не так на клеточном уровне, и соответствующим образом это исправлять.
Теперь под руководством постдока Сяоцзина Гао и аспирантки Люси Чонг исследователи Caltech разработали набор белковых строительных блоков, которые можно комбинировать различными способами для создания схем, способных ощущать окружающую среду и действовать соответственно. Подобно тому, как электронные транзисторы можно соединять для создания различных схем, производящих устройства от таймеров до компьютеров, компоненты этого набора можно комбинировать по-разному для получения широкого спектра функций — от логических вычислений до обработки сигналов, в конечном итоге создавая системы, которые диагностируют и реагируют на специфические клеточные условия.
В качестве доказательства будущего потенциала таких схем команда создала одну из них, которая в лабораторной чашке может обнаружить, содержит ли клетка онкоген, и, если да, уничтожить ее. Для «нормальной» клетки эта схема была бы безвредна.
«Одной из самых больших проблем в биомедицине является специфичность: как создать терапевтическое средство, которое будет воздействовать только на определенный тип клеток? И затем, как отреагировать, модифицировав эту клетку очень специфическим образом? — говорит Эловиц. — Эти задачи сложны для лекарств, но биологические схемы могли бы с ними справиться. Белковые схемы можно запрограммировать на восприятие многих типов информации, ее обработку и реагирование различными способами. Фактически, причина, по которой наши клетки обычно работают так хорошо, — это невероятная мощность нашей естественной биологической схемотехники».
«Эта работа — просто доказательство принципа, и мы еще не продемонстрировали эти функции на животных, — говорит Гао. — Однако эта концепция может помочь нам перейти к использованию программируемых клеточных терапий в качестве лекарств».
«Было проделано много работы по белковой инженерии, но впервые мы создали белки, которые регулируют — или взаимодействуют — друг с другом схожими способами, что позволяет комбинировать их как полезные строительные блоки», — говорит Чонг.
Статья называется «Программируемые белковые схемы в живых клетках».