Przełom w projektowaniu „inteligentnych komórek

https://mlodytechnik.pl/i/images/4/7/4/Y3c9MTE3MCZjaD01MTM=_src_11474-inzynieria_biomedyczna_studia.jpg

Bioinżynierowie z Rice University opracowali nowy zestaw konstrukcyjny do budowy niestandardowych obwodów sensoryczno-reagujących w ludzkich komórkach. Badania, opublikowane w czasopiśmie Science, reprezentują znaczący przełom w dziedzinie biologii syntetycznej, który może zrewolucjonizować terapie złożonych schorzeń, takich jak choroby autoimmunologiczne i nowotwory.

„Wyobraź sobie maleńkie procesory wewnątrz komórek zbudowane z białek, które mogą „decydować”, jak reagować na określone sygnały, takie jak stan zapalny, znaki wzrostu guza lub poziom cukru we krwi”, powiedział Xiaoyu Yang, doktorant w programie Systems, Synthetic and Physical Biology Ph.D. w Rice, który jest głównym autorem badania. „Ta praca znacznie przybliża nas do możliwości zbudowania „inteligentnych komórek”, które mogą wykrywać oznaki choroby i natychmiast aktywować odpowiednie leczenie w odpowiedzi”.

Nowe podejście do projektowania sztucznych obwodów komórkowych opiera się na fosforylacji – naturalnym procesie wykorzystywanym przez komórki do reagowania na otoczenie, który polega na dodaniu grupy fosforanowej do białka. Fosforylacja jest zaangażowana w szeroki zakres funkcji komórkowych, w tym w przekształcanie sygnałów zewnątrzkomórkowych w wewnątrzkomórkowe odpowiedzi – np. ruch, wydzielanie substancji, reakcję na patogen lub ekspresję genu.

W organizmach wielokomórkowych sygnalizacja oparta na fosforylacji często obejmuje wieloetapowy, kaskadowy efekt przypominający przewracające się kostki domina. Wcześniejsze próby wykorzystania tego mechanizmu do celów terapeutycznych w ludzkich komórkach koncentrowały się na przeprojektowaniu natywnych, istniejących szlaków sygnałowych. Jednakże złożoność tych szlaków sprawia, że trudno z nimi pracować, więc ich zastosowania pozostały dość ograniczone.

Jednak dzięki nowym odkryciom naukowców z Rice, innowacje oparte na fosforylacji w inżynierii „inteligentnych komórek” mogły odnotować znacząco niewielki wzrost w nadchodzących latach. Tym, co umożliwiło ten przełom była zmiana perspektywy:

Fosforylacja jest procesem sekwencyjnym, rozwijającym się jako seria połączonych ze sobą cykli prowadzących od wejścia komórkowego (tj. czegoś, co komórka napotyka lub wyczuwa w swoim środowisku) do wyjścia (tego, co komórka robi w odpowiedzi). Zespół badawczy zauważył – i postanowił to udowodnić – że każdy cykl w kaskadzie można traktować jako jednostkę elementarną, a jednostki te można łączyć ze sobą na nowe sposoby w celu skonstruowania całkowicie nowych ścieżek, które łączą wejścia oraz wyjścia komórkowe.

„To otwiera przestrzeń projektowania obwodów sygnalizacyjnych w sposób dramatyczny”, powiedział Caleb Bashor, adiunkt na wydziale bioinżynierii i nauk biologicznych oraz autor korespondencyjny badania. „Okazuje się, że cykle fosforylacji są nie tylko wzajemnie połączone, ale także są w stanie tworzyć różne kombinacje – jest to coś, czego wcześniej nie byliśmy pewni, czy można to zrobić na tym poziomie zaawansowania. Nasza strategia projektowania umożliwiła nam zaprojektowanie syntetycznych obwodów fosforylacji, które są nie tylko wysoce “dostrajalne”, ale mogą również funkcjonować równolegle z własnymi procesami komórek bez wpływu na ich żywotność lub tempo wzrostu”.

Choć może to brzmieć prosto, ustalenie zasad budowania, łączenia oraz dostrajania jednostek – włączając w to projektowanie wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych wyjść – nie było wcale takie proste. Co więcej, fakt, że syntetyczne obwody mogą być budowane, a także wdrażane w żywych komórkach, nie był oczywisty.

„Nie spodziewaliśmy się, że nasze syntetyczne obwody sygnalizacyjne, składające się w całości z zaprojektowanych części białkowych, będą działać z podobną szybkością i wydajnością jak naturalne szlaki sygnalizacyjne występujące w ludzkich komórkach”, powiedział Yang. „Nie trzeba dodawać, że byliśmy mile zaskoczeni, gdy okazało się, że tak właśnie jest. Wymagało to wiele wysiłku oraz współpracy, aby to osiągnąć”.

Modułowe podejście do projektowania obwodów komórkowych typu „zrób to sam” okazało się zdolne do odtworzenia ważnej zdolności natywnych kaskad fosforylacji na poziomie systemu, a mianowicie wzmacniania słabych sygnałów wejściowych w makroskopowe sygnały wyjściowe. Eksperymentalne obserwacje tego efektu zweryfikowały przewidywania zespołu dotyczące modelowania ilościowego, wzmacniając wartość nowej struktury jako podstawowego narzędzia biologii syntetycznej.

Inną wyraźną zaletą nowego podejścia do projektowania obwodów komórkowych typu sensoryczno-reagujących jest to, że fosforylacja zachodzi szybko, w ciągu zaledwie kilku sekund lub minut, więc nowe syntetyczne obwody fosfosygnałowe można potencjalnie zaprogramować tak, aby reagowały na zdarzenia fizjologiczne zachodzące w podobnej skali czasowej. W przeciwieństwie do tego, wiele wcześniejszych projektów obwodów syntetycznych opierało się na różnych procesach molekularnych, takich jak transkrypcja, której aktywacja może trwać wiele godzin.

Naukowcy przetestowali również obwody pod kątem wrażliwości oraz zdolności reagowania na sygnały zewnętrzne, takie jak czynniki zapalne. Aby udowodnić swój potencjał translacyjny, zespół wykorzystał strukturę do zaprojektowania obwodu komórkowego, który może wykrywać te czynniki, a także może być stosowany do kontrolowania zaostrzeń autoimmunologicznych i zmniejszania toksyczności związanej z immunoterapią. „Nasze badania dowodzą, że możliwe jest budowanie programowalnych obwodów w ludzkich komórkach, które szybko i dokładnie reagują na sygnały. Jest to pierwszy raport dotyczący zestawu konstrukcyjnego do inżynierii syntetycznych obwodów fosforylacji”, powiedział Bashor, pełniący również funkcję zastępcy dyrektora Instytutu Biologii Syntetycznej Rice, który został uruchomiony na początku tego roku w celu wykorzystania głębokiej wiedzy Rice w tej dziedzinie i katalizowania wspólnych badań.

Caroline Ajo-Franklin, która pełni funkcję dyrektora instytutu, powiedziała, że wyniki badania są przykładem transformacyjnej pracy, jaką naukowcy z Rice wykonują w dziedzinie biologii syntetycznej. „Jeśli w ciągu ostatnich 20 lat biolodzy syntetyczni nauczyli się manipulować sposobem, w jaki bakterie stopniowo reagują na sygnały środowiskowe, praca laboratorium Bashora przenosi nas do nowej granicy – kontrolowania natychmiastowej reakcji komórek ssaków na zmiany”, powiedziała Ajo-Franklin, profesorka nauk biologicznych, bioinżynierii, inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz stypendystka Cancer Prevention and Research Institute of Texas.