Der erste proteinbasierte Nano-Computing-Agent, der als Schaltkreis fungiert, wurde von Forschern der Penn State University entwickelt. Dieser Meilenstein bringt sie der Entwicklung zellbasierter Therapien der nächsten Generation zur Behandlung von Krankheiten wie Diabetes und Krebs einen Schritt näher.
Herkömmliche Ansätze der synthetischen Biologie für zellbasierte Therapien, beispielsweise solche, die Krebszellen zerstören oder die Geweberegeneration nach einer Verletzung fördern, basieren auf der Expression oder Unterdrückung von Proteinen, die eine gewünschte Wirkung innerhalb einer Zelle hervorrufen. Dieser Ansatz kann Zeit in Anspruch nehmen (bis Proteine exprimiert und abgebaut werden) und dabei zelluläre Energie kosten. Ein Team aus Forschern des Penn State College of Medicine und des Huck Institutes of the Life Sciences verfolgt einen anderen Ansatz.
„Wir entwickeln Proteine, die direkt eine gewünschte Wirkung hervorrufen“, sagte Nikolay Dokholyan, G. Thomas Passananti-Professor und stellvertretender Forschungsleiter in der Abteilung für Pharmakologie. „Unsere proteinbasierten Geräte oder Nano-Computing-Agenten reagieren direkt auf Reize (Inputs) und erzeugen dann eine gewünschte Aktion (Outputs).“
In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, Dokholyan und der Bioinformatik- und Genomik-Doktorand Jiaxing Chen beschreiben ihren Ansatz zur Entwicklung ihres Nano-Computing-Agenten. Sie konstruierten ein Zielprotein durch die Integration zweier Sensordomänen oder Bereiche, die auf Reize reagieren. In diesem Fall reagiert das Zielprotein auf Licht und einen Wirkstoff namens Rapamycin, indem es seine Ausrichtung oder Position im Raum anpasst.
Um ihr Design zu testen, führte das Team sein manipuliertes Protein in lebende Zellen in Kultur ein. Indem sie die kultivierten Zellen den Reizen aussetzten, verwendeten sie Geräte, um Veränderungen in der Zellorientierung zu messen, nachdem die Zellen den Reizen der Sensordomänen ausgesetzt waren.
Zuvor benötigte ihr Nano-Computing-Agent zwei Eingaben, um eine Ausgabe zu erzeugen. Nun sagt Chen, dass es zwei mögliche Ausgaben gibt und die Ausgabe davon abhängt, in welcher Reihenfolge die Eingaben empfangen werden. Wenn zuerst Rapamycin und dann Licht nachgewiesen werden, nimmt die Zelle einen bestimmten Ausrichtungswinkel ein. Wenn die Reize jedoch in umgekehrter Reihenfolge empfangen werden, nimmt die Zelle einen anderen Ausrichtungswinkel an. Laut Chen öffnet dieser experimentelle Proof-of-Concept die Tür für die Entwicklung komplexerer Nano-Computing-Agenten.
„Theoretisch gilt: Je mehr Eingaben man in einen Nano-Computing-Agenten einbettet, desto mehr potenzielle Ergebnisse könnten aus verschiedenen Kombinationen resultieren“, sagte Chen. „Mögliche Inputs könnten physikalische oder chemische Reize sein, und Outputs könnten Veränderungen im zellulären Verhalten sein, wie z. B. Zellrichtung, Migration, Veränderung der Genexpression und Zytotoxizität von Immunzellen gegenüber Krebszellen.“
Das Team plant, seine Nano-Computing-Agenten weiterzuentwickeln und mit verschiedenen Anwendungen der Technologie zu experimentieren. Dokholyan, Forscher am Penn State Cancer Institute und am Penn State Neuroscience Institute, sagte, ihr Konzept könnte eines Tages die Grundlage für zellbasierte Therapien der nächsten Generation für verschiedene Krankheiten bilden, darunter Autoimmunerkrankungen, Virusinfektionen, Diabetes, Nervenverletzungen und Krebs .
Yashavantha Vishweshwaraiah, Richard Mailman und Erdem Tabdanov vom Penn State College of Medicine trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.
Mehr Informationen:
Jiaxing Chen et al, Eine nichtkommutative kombinatorische Proteinlogikschaltung steuert die Zellorientierung in Nanoumgebungen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1062. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1062