يتيح مفتاح البروتين المصمم تحكمًا غير مسبوق في الخلايا الحية

ابتكر العلماء أول مفتاح بروتيني اصطناعي بالكامل يمكنه العمل داخل الخلايا الحية لتعديل - أو حتى السيطرة - على الدوائر الداخلية المعقدة للخلية.

يُطلق على المفتاح اسم LOCKR، وهو اختصار لـ Latching أو Orthogonal Cage/Key pRotein.

الأوراق المصاحبة نشرت في 24 يوليو في المجلة طبيعة وصف تصميم LOCKR وإظهار العديد من التطبيقات العملية للتكنولوجيا. تم إجراء هذا العمل من قبل فرق الهندسة الحيوية بقيادة ديفيد بيكر في معهد الطب بجامعة ويسكونسن لتصميم البروتين وهناء الصمد في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو.

يوضح العلماء أن LOCKR يمكن "برمجته" للتعديل التعبير الجينيوإعادة توجيه حركة المرور الخلوية وتحلل بروتينات معينة والتحكم فيها بروتين التفاعلات الملزمة يستخدم الباحثون أيضًا LOCKR لبناء دوائر بيولوجية جديدة تتصرف مثل أجهزة الاستشعار المستقلة. تكتشف هذه الدوائر إشارات من البيئة الداخلية أو الخارجية للخلية وتستجيب عن طريق إجراء تغييرات على الخلية. وهذا يشبه الطريقة التي يستشعر بها منظم الحرارة درجة الحرارة المحيطة ويوجه نظام التدفئة أو التبريد ليغلق نفسه بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.

بمجرد تجميعها بواسطة خلية، يبلغ قياس هذه المفاتيح الجديدة ثمانية نانومترات فقط على جانبها الأطول. ستكون هناك حاجة إلى أكثر من مائة مليون لتغطية الفترة في نهاية هذه الجملة.

قال الصمد، أستاذ الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو والمؤلف الرئيسي المشارك للتقارير: "إن القدرة على التحكم في الخلايا باستخدام البروتينات المصممة تبشر بعصر جديد من علم الأحياء". "وبنفس الطريقة دوائر متكاملة لقد مكّنت هذه المفاتيح البيولوجية متعددة الاستخدامات والديناميكية من انفجار صناعة رقائق الكمبيوتر، ويمكن أن تطلق العنان قريبًا للتحكم الدقيق في سلوك الخلايا الحية، وفي النهاية، صحتنا.

عدم وجود نظير في العالم الطبيعي، تتميز LOCKR عن كل أدوات تجارة التكنولوجيا الحيوية، بما في ذلك التقنيات الحديثة مثل علم البصريات الوراثي وCRISPR. في حين تم اكتشاف أسلافه في الطبيعة ثم أعيد تجهيزهم للاستخدام في المختبرات أو الصناعة أو الطب، فإن LOCKR هو من بين أدوات التكنولوجيا الحيوية الأولى التي تم تصورها وبناؤها بالكامل من قبل البشر.

المؤلفون الرئيسيون للتقارير هم بوبي لانجان وسكوت بويكن من معهد الطب بجامعة ويسكونسن لتصميم البروتين، وأندرو إنج من برنامج الدراسات العليا في الهندسة الحيوية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي-جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو.

وقال لانجان: "في الوقت الحالي، تستجيب كل خلية لبيئتها". "تستقبل الخلايا المحفزات، ثم يتعين عليها معرفة ما يجب فعله حيال ذلك. فهم يستخدمون الأنظمة الطبيعية لضبط التعبير الجيني أو تحليل البروتينات، على سبيل المثال.

شرع لانجان وزملاؤه في ابتكار طريقة جديدة للتواصل مع هذه الأنظمة الخلوية. استخدموا الحسابية تصميم البروتين لإنشاء بروتينات ذاتية التجميع تقدم الببتيدات النشطة بيولوجيًا فقط عند إضافة "مفاتيح" جزيئية محددة.

وباستخدام نسخة من LOCKR مثبتة في الخميرة، تمكن الفريق من إظهار أن الفطر المعدل وراثيًا يمكن تصنيعه لتحليل بروتين خلوي معين في الوقت الذي يختاره الباحثون. ومن خلال إعادة تصميم المفتاح، أظهروا أيضًا نفس التأثير في الخلايا البشرية المزروعة في المختبر.

للبقاء في صحة جيدة، يجب على الخلايا التحكم بإحكام في عملياتها البيوكيميائية. النشاط غير الطبيعي في جين واحد فقط، أو تراكم البروتين الخاطئ، يمكن أن يخل بتوازن الخلية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى موت الخلايا أو حتى السرطان. يوفر LOCKR للعلماء طريقة جديدة للتفاعل مع الخلايا الحية. ومن ثم يمكن أن يتيح موجة جديدة من العلاجات لأمراض متنوعة مثل السرطان، اضطرابات المناعة الذاتية و اكثر.

"يفتح LOCKR عالمًا جديدًا تمامًا من الإمكانيات للبرمجة الخلايا"، قال نج. "نحن الآن مقيدون بخيالنا وإبداعنا أكثر من البروتينات التي طورتها الطبيعة."