Op eiwit gebaseerde nanocomputer evolueert in zijn vermogen om celgedrag te beïnvloeden

De eerste op eiwitten gebaseerde nanocomputer die als een circuit functioneert, is gemaakt door onderzoekers van Penn State. De mijlpaal brengt hen een stap dichter bij de ontwikkeling van op cellen gebaseerde therapieën van de volgende generatie voor de behandeling van ziekten zoals diabetes en kanker.

Traditionele synthetische biologische benaderingen voor op cellen gebaseerde therapieën, zoals therapieën die kankercellen vernietigen of weefselregeneratie na letsel stimuleren, zijn afhankelijk van de expressie of onderdrukking van eiwitten die een gewenste actie in een cel produceren. Deze benadering kan enige tijd kosten (om eiwitten tot expressie te brengen en af ​​te breken) en daarbij cellulaire energie kosten. Een team van onderzoekers van Penn State College of Medicine en Huck Institutes of the Life Sciences pakt het anders aan.

“We ontwikkelen eiwitten die direct een gewenste actie produceren”, zegt Nikolay Dokholyan, professor G. Thomas Passananti en vice-voorzitter voor onderzoek bij de afdeling Farmacologie. “Onze op eiwitten gebaseerde apparaten of nanocomputers reageren direct op stimuli (inputs) en produceren vervolgens een gewenste actie (outputs).”

In een studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang, beschrijven Dokholyan en bio-informatica en genomics-promovendus Jiaxing Chen hun benadering van het creëren van hun nano-rekenmiddel. Ze ontwikkelden een doeleiwit door twee sensordomeinen te integreren, of gebieden die reageren op prikkels. In dit geval reageert het doeleiwit op licht en een medicijn genaamd rapamycine door zijn oriëntatie of positie in de ruimte aan te passen.

Om hun ontwerp te testen, introduceerde het team hun gemanipuleerde eiwit in levende cellen in cultuur. Door de gekweekte cellen bloot te stellen aan de prikkels, gebruikten ze apparatuur om veranderingen in cellulaire oriëntatie te meten nadat cellen waren blootgesteld aan de prikkels van de sensordomeinen.

Voorheen had hun nanocomputing-agent twee inputs nodig om één output te produceren. Nu zegt Chen dat er twee mogelijke outputs zijn en de output hangt af van de volgorde waarin de inputs worden ontvangen. Als eerst rapamycine wordt gedetecteerd, gevolgd door licht, neemt de cel één hoek van celoriëntatie aan, maar als de stimuli in omgekeerde volgorde worden ontvangen, neemt de cel een andere oriëntatiehoek aan. Chen zegt dat deze experimentele proof-of-concept de deur opent voor de ontwikkeling van complexere nanocomputers.

“Theoretisch gezien, hoe meer input je in een nano-computing-agent inbedt, hoe meer potentiële uitkomsten het gevolg kunnen zijn van verschillende combinaties, ” zei Chen. “Potentiële inputs kunnen fysieke of chemische stimuli zijn en outputs kunnen veranderingen in cellulair gedrag omvatten, zoals celrichting, migratie, modificatie van genexpressie en immuuncelcytotoxiciteit tegen kankercellen.”

Het team is van plan hun nanocomputers verder te ontwikkelen en te experimenteren met verschillende toepassingen van de technologie. Dokholyan, een onderzoeker bij Penn State Cancer Institute en Penn State Neuroscience Institute, zei dat hun concept op een dag de basis zou kunnen vormen van de volgende generatie celgebaseerde therapieën voor verschillende ziekten, zoals auto-immuunziekten, virale infecties, diabetes, zenuwbeschadiging en kanker .

Yashavantha Vishweshwaraiah, Richard Mailman en Erdem Tabdanov van Penn State College of Medicine hebben ook aan dit onderzoek bijgedragen.