Công tắc protein được thiết kế cho phép kiểm soát chưa từng có đối với các tế bào sống

Các nhà khoa học đã tạo ra công tắc protein hoàn toàn nhân tạo đầu tiên có thể hoạt động bên trong tế bào sống để sửa đổi — hoặc thậm chí chỉ huy — mạch bên trong phức tạp của tế bào.

Công tắc này có tên là LOCKR, viết tắt của Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein.

Các bài báo đi kèm đăng ngày 24/7 trên tạp chí Thiên nhiên mô tả thiết kế của LOCKR và trình diễn một số ứng dụng thực tế của công nghệ. Công việc được thực hiện bởi các nhóm kỹ thuật sinh học do David Baker tại Viện Thiết kế Protein UW và Hana El-Samad tại UC San Francisco dẫn đầu.

Các nhà khoa học cho thấy LOCKR có thể được “lập trình” để sửa đổi biểu hiện gen, chuyển hướng lưu lượng tế bào, làm suy giảm các protein cụ thể và kiểm soát chất đạm tương tác ràng buộc. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng LOCKR để xây dựng các mạch sinh học mới hoạt động giống như các cảm biến tự động. Các mạch này phát hiện các tín hiệu từ môi trường bên trong hoặc bên ngoài tế bào và phản hồi bằng cách thực hiện các thay đổi đối với tế bào. Điều này giống như cách một bộ điều nhiệt cảm nhận nhiệt độ môi trường xung quanh và chỉ đạo hệ thống sưởi hoặc làm mát tự tắt ngay khi đạt đến nhiệt độ mong muốn.

Sau khi được lắp ráp bởi một tế bào, các công tắc mới này chỉ có kích thước 8 nanomet ở cạnh dài nhất của chúng. Cần hơn một trăm triệu để trang trải khoảng thời gian ở cuối câu này.

El-Samad, Giáo sư Hóa sinh và Lý sinh của Gia đình Kuo tại UCSF và đồng tác giả cấp cao của báo cáo cho biết: “Khả năng kiểm soát tế bào bằng các protein thiết kế mở ra một kỷ nguyên mới của sinh học”. “Cũng theo cách đó mạch tích hợp đã tạo điều kiện cho sự bùng nổ của ngành công nghiệp chip máy tính, những công tắc sinh học linh hoạt và năng động này có thể sớm mở khóa khả năng kiểm soát chính xác đối với hoạt động của tế bào sống và cuối cùng là sức khỏe của chúng ta.”

Không có đối tác trong thế giới tự nhiên, LOCKR nổi bật so với mọi công cụ của thương mại công nghệ sinh học, bao gồm các công nghệ gần đây như quang di truyền học và CRISPR. Trong khi các công cụ tiền thân của nó được phát hiện trong tự nhiên và sau đó được trang bị lại để sử dụng trong phòng thí nghiệm, công nghiệp hoặc y học, LOCKR là một trong những công cụ công nghệ sinh học đầu tiên hoàn toàn do con người hình thành và chế tạo.

Các tác giả chính của báo cáo là Bobby Langan và Scott Boyken thuộc Viện Thiết kế Protein UW và Andrew Ng của Chương trình Sau đại học UC Berkeley-UCSF về Kỹ thuật Sinh học.

Langan cho biết: “Hiện tại, mọi tế bào đều đang phản ứng với môi trường của nó. “Các tế bào nhận được kích thích, sau đó phải tìm ra những gì cần làm với nó. Ví dụ, họ sử dụng các hệ thống tự nhiên để điều chỉnh biểu hiện gen hoặc làm suy giảm protein.”

Langan và các đồng nghiệp của ông bắt đầu tạo ra một phương pháp mới để giao tiếp với các hệ thống di động này. Họ đã sử dụng tính toán thiết kế chất đạm để tạo ra các protein tự lắp ráp chỉ trình bày các peptide có hoạt tính sinh học khi bổ sung các “chìa khóa” phân tử cụ thể.

Với phiên bản LOCKR được cài đặt trong nấm men, nhóm nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng nấm biến đổi gen có thể được tạo ra để làm suy giảm một loại protein tế bào cụ thể tại thời điểm mà các nhà nghiên cứu lựa chọn. Bằng cách thiết kế lại công tắc, họ cũng chứng minh được tác dụng tương tự trên tế bào người được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

Để giữ sức khỏe, các tế bào phải kiểm soát chặt chẽ các quá trình sinh hóa của chúng. Hoạt động bất thường chỉ ở một gen hoặc sự tích tụ sai loại protein có thể làm đảo lộn trạng thái cân bằng của tế bào. Điều này có thể dẫn đến chết tế bào hoặc thậm chí là ung thư. LOCKR cung cấp cho các nhà khoa học một phương pháp mới để tương tác với các tế bào sống. Do đó, nó có thể tạo ra một làn sóng trị liệu mới cho các bệnh đa dạng như ung thư, Rối loạn tự miễn dịch và hơn thế nữa.

“LOCKR mở ra một lĩnh vực khả năng hoàn toàn mới cho việc lập trình tế bào”, Ng nói. “Bây giờ chúng ta bị giới hạn nhiều hơn bởi trí tưởng tượng và khả năng sáng tạo của mình hơn là các protein mà thiên nhiên đã phát triển.”