Разработанный белковый переключатель обеспечивает беспрецедентный контроль над живыми клетками

Ученые создали первый полностью искусственный белковый переключатель, который может работать внутри живых клеток, изменяя или даже управляя сложной внутренней схемой клетки.

Переключатель получил название LOCKR, сокращение от Latching, Orthogonal Cage/Key protein.

Сопутствующие статьи опубликованы 24 июля в журнале. Природа описать конструкцию LOCKR и продемонстрировать несколько практических применений этой технологии. Работу проводили группы биоинженеров под руководством Дэвида Бейкера из Медицинского института дизайна белков Университета Вашингтона и Ханы Эль-Самад из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Ученые показывают, что LOCKR можно «запрограммировать» на изменение экспрессия генов, перенаправлять клеточный трафик, разрушать определенные белки и контролировать белок связывающие взаимодействия. Исследователи также используют LOCKR для создания новых биологических цепей, которые ведут себя как автономные датчики. Эти схемы обнаруживают сигналы из внутренней или внешней среды клетки и реагируют, внося изменения в клетку. Это похоже на то, как термостат определяет температура окружающей среды и предписывает системе отопления или охлаждения отключиться, как только будет достигнута желаемая температура.

Размеры этих новых переключателей, собранных с помощью клетки, составляют всего восемь нанометров на самой длинной стороне. Для покрытия периода в конце этого предложения потребуется более ста миллионов.

«Способность контролировать клетки с помощью дизайнерских белков открывает новую эру биологии», — сказал Эль-Самад, профессор биохимии и биофизики семьи Куо в Калифорнийском университете в Сан-Франциско и состарший автор отчетов. «Точно так же, как интегральные схемы обеспечили взрыв индустрии компьютерных чипов, эти универсальные и динамичные биологические переключатели вскоре смогут обеспечить точный контроль над поведением живых клеток и, в конечном итоге, над нашим здоровьем».

Не имея аналогов в Натуральный мирLOCKR выделяется среди всех инструментов биотехнологической торговли, включая новейшие технологии, такие как оптогенетика и CRISPR. В то время как его предшественники были обнаружены в природе, а затем переоборудованы для использования в лабораториях, промышленности или медицине, LOCKR является одним из первых биотехнологических инструментов, полностью задуманных и созданных людьми.

Ведущими авторами отчетов являются Бобби Ланган и Скотт Бойкен из Медицинского института дизайна белков Университета Вашингтона и Эндрю Нг из аспирантуры Калифорнийского университета в Беркли-UCSF по биоинженерии.

«Прямо сейчас каждая клетка реагирует на окружающую среду», — сказал Ланган. «Клетки получают стимулы, а затем должны выяснить, что с этим делать. Например, они используют природные системы для настройки экспрессии генов или расщепления белков».

Ланган и его коллеги намеревались создать новый способ взаимодействия с этими сотовыми системами. Они использовали вычислительную белковый дизайн создать самособирающиеся белки, которые представляют биоактивные пептиды только при добавлении определенных молекулярных «ключей».

Используя версию LOCKR, установленную в дрожжах, команда смогла показать, что генетически модифицированный гриб можно заставить разрушать определенный клеточный белок в любое время по выбору исследователей. Изменив конструкцию переключателя, они также продемонстрировали тот же эффект на выращенных в лаборатории клетках человека.

Чтобы оставаться здоровыми, клетки должны строго контролировать свои биохимические процессы. Аномальная активность всего лишь одного гена или накопление неправильного белка могут нарушить клеточное равновесие. Это может привести к гибели клеток или даже раку. LOCKR дает ученым новый способ взаимодействия с живыми клетками. Таким образом, это может создать новую волну методов лечения таких разнообразных заболеваний, как рак, аутоиммунные заболевания и более.

«LOCKR открывает совершенно новую сферу возможностей для программирования. клетки- сказал Нг. «Теперь мы больше ограничены нашим воображением и творчеством, а не белками, которые создала природа».