Bioinżynierowie z Uniwersytetu Rice opracowali nowy zestaw konstrukcyjny do budowania niestandardowych obwodów zmysłu i reakcji w komórkach ludzkich. Badania opublikowane w czasopiśmie Science stanowią poważny przełom w dziedzinie biologii syntetycznej, który może zrewolucjonizować metody leczenia złożonych schorzeń, takich jak choroby autoimmunologiczne i nowotwory.
„Wyobraźcie sobie maleńkie procesory wewnątrz komórek zbudowanych z białek, które mogą «decydować», jak zareagować na określone sygnały, takie jak stan zapalny, markery wzrostu nowotworu czy poziom cukru we krwi” – powiedziała Xiaoyu Yang, absolwentka studiów doktoranckich z zakresu biologii systemowej, syntetycznej i fizycznej . program w Rice, który jest głównym autorem badania. „Ta praca znacznie przybliża nas do możliwości zbudowania„ inteligentnych komórek ”, które będą w stanie wykryć oznaki choroby i w odpowiedzi natychmiast udostępnić dostosowywalne metody leczenia”.
Nowe podejście do projektowania sztucznych obwodów komórkowych opiera się na fosforylacji – naturalnym procesie, którego używają komórki, aby reagować na otoczenie, obejmującym dodanie grupy fosforanowej do białka. Fosforylacja bierze udział w szerokim zakresie funkcji komórkowych, w tym w przekształcaniu sygnałów zewnątrzkomórkowych w reakcje wewnątrzkomórkowe – np. poruszanie się, wydzielanie substancji, reagowanie na patogen lub ekspresję genu.
W organizmach wielokomórkowych sygnalizacja oparta na fosforylacji często wiąże się z wieloetapowym, kaskadowym efektem, przypominającym spadające domino. Poprzednie próby wykorzystania tego mechanizmu do celów terapeutycznych w komórkach ludzkich skupiały się na przeprojektowaniu natywnych, istniejących szlaków sygnalizacyjnych. Jednakże złożoność ścieżek utrudnia pracę z nimi, dlatego ich zastosowania pozostają dość ograniczone.
Jednak dzięki nowym odkryciom badaczy z Rice w nadchodzących latach innowacje oparte na fosforylacji w inżynierii „inteligentnych komórek” mogą znacząco wzrosnąć. Tym, co umożliwiło ten przełom, była zmiana perspektywy:
Fosforylacja to proces sekwencyjny, który przebiega jako seria wzajemnie powiązanych cykli prowadzących od sygnału wejściowego (tj. czegoś, co komórka napotyka lub wyczuwa w swoim otoczeniu) do sygnału wyjściowego (co komórka robi w odpowiedzi). Zespół badawczy zdał sobie sprawę i postanowił udowodnić, iż każdy cykl w kaskadzie można traktować jako elementarną jednostkę, a jednostki te można łączyć ze sobą na nowe sposoby, tworząc całkowicie nowe ścieżki łączące wejścia i wyjścia komórkowe .
„To radykalnie otwiera przestrzeń do projektowania obwodów sygnalizacyjnych” – powiedział Caleb Bashor, adiunkt w dziedzinie bioinżynierii i nauk biologicznych oraz współautor badania. „Okazuje się, iż cykle fosforylacji są nie tylko ze sobą powiązane, ale wręcz możliwe – nie byliśmy wcześniej pewni, czy uda się tego dokonać przy takim poziomie zaawansowania.
„Nasza strategia projektowa umożliwiła nam zaprojektowanie syntetycznych obwodów fosforylacji, które są nie tylko wysoce przestrajalne, ale mogą również działać równolegle z procesami zachodzącymi w komórkach, nie wpływając na ich żywotność ani tempo wzrostu”.
Choć może się to wydawać proste, ustalenie zasad budowania, łączenia i dostrajania jednostek – w tym projektowania wyjść wewnątrz i zewnątrzkomórkowych – wcale nie było takie proste. Co więcej, nie było pewne, iż obwody syntetyczne można zbudować i wdrożyć w żywych komórkach.
„Niekoniecznie spodziewaliśmy się, iż nasze syntetyczne obwody sygnalizacyjne, które składają się wyłącznie ze zmodyfikowanych części białkowych, będą działać z podobną szybkością i wydajnością, jak naturalne szlaki sygnalizacyjne występujące w komórkach ludzkich” – powiedział Yang. „Nie trzeba dodawać, iż byliśmy mile zaskoczeni, iż tak się stało. Utworzenie tego wymagało wiele wysiłku i współpracy”.
Modułowe podejście do projektowania obwodów komórkowych metodą „zrób to sam” okazało się możliwe do odtworzenia ważnej na poziomie systemowym zdolności natywnych kaskad fosforylacji, a mianowicie wzmacniania słabych sygnałów wejściowych do makroskopowych wyników. Eksperymentalne obserwacje tego efektu zweryfikowały przewidywania zespołu dotyczące modelowania ilościowego, wzmacniając wartość nowych ram jako podstawowego narzędzia biologii syntetycznej.
Kolejną wyraźną zaletą nowego podejścia do projektowania obwodów komórkowych typu „wyczuwaj i reaguj” jest to, iż fosforylacja zachodzi gwałtownie w ciągu zaledwie sekund lub minut, więc nowe syntetyczne obwody sygnalizacji fosfo można potencjalnie zaprogramować tak, aby reagowały na zdarzenia fizjologiczne występujące w podobnej skali czasowej . Z kolei wiele poprzednich projektów obwodów syntetycznych opierało się na różnych procesach molekularnych, takich jak transkrypcja, których aktywacja może zająć wiele godzin.
Naukowcy przetestowali także obwody pod kątem czułości i zdolności reagowania na sygnały zewnętrzne, takie jak czynniki zapalne. Aby udowodnić swój potencjał translacyjny, zespół wykorzystał te ramy do zaprojektowania obwodu komórkowego, który może wykrywać te czynniki i który można wykorzystać do kontrolowania zaostrzeń chorób autoimmunologicznych i zmniejszania toksyczności związanej z immunoterapią.
„Nasze badania dowodzą, iż możliwe jest zbudowanie w ludzkich komórkach programowalnych obwodów, które gwałtownie i dokładnie reagują na sygnały, i jest to pierwszy raport na temat zestawu konstrukcyjnego do projektowania obwodów syntetycznej fosforylacji” – powiedział Bashor, który pełni także funkcję zastępcy dyrektora ds. Instytut Biologii Syntetycznej Ryżu, który powstał na początku tego roku, aby wykorzystać głęboką wiedzę specjalistyczną firmy Rice w tej dziedzinie i pobudzić wspólne badania.
Caroline Ajo-Franklin, dyrektor instytutu, stwierdziła, iż wyniki badania są przykładem przełomowej pracy, jaką badacze z Rice wykonują w biologii syntetycznej.
„Jeśli w ciągu ostatnich 20 lat biolodzy syntetyczni nauczyli się manipulować sposobem, w jaki bakterie stopniowo reagują na sygnały środowiskowe, prace laboratorium Bashor prowadzą nas do nowej granicy – kontrolowania natychmiastowej reakcji komórek ssaków na zmiany” – stwierdziła Ajo-Franklin , profesor nauk biologicznych, bioinżynierii, inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz stypendysta Instytutu Zapobiegania i Badań nad Rakiem w Teksasie.
