Создание клеточных компьютеров на основе белковых логических вентилей
Те же базовые инструменты, что позволяют работать компьютерам, теперь используются для контроля жизни на молекулярном уровне. Эти достижения важны для будущих лекарств и синтетической биологии.
Команда под руководством Медицинской школы Вашингтонского университета, сообщая 2 апреля в журнале Science, создала искусственные белки, функционирующие как молекулярные логические вентили. Эти инструменты, подобно своим электронным аналогам, можно использовать для программирования поведения более сложных систем.
Команда показала, что новые дизайнерские белки могут регулировать экспрессию генов внутри человеческих Т-клеток. Это достижение может повысить безопасность и долговечность будущих клеточных терапий.
«Биоинженеры уже создавали логические вентили из ДНК, РНК и модифицированных природных белков, но они далеки от идеала. Наши логические вентили, построенные из de novo спроектированных белков, более модульны и универсальны и могут использоваться в широком спектре биомедицинских приложений», — сказал старший автор Дэвид Бейкер, профессор биохимии.
Будь то электронные или биологические, логические вентили воспринимают и реагируют на сигналы заранее определённым образом. Один из простейших — вентиль И; он производит выходной сигнал только при наличии одного входного сигнала И другого.
Например, при наборе текста нажатие клавиши Shift И клавиши A производит заглавную букву А. Логические вентили из биологических компонентов призваны привнести этот уровень контроля в биоинженерные системы.
При наличии правильных вентилей, работающих внутри живых клеток, входные сигналы, такие как присутствие двух разных молекул — или одной, а не другой — могут заставить клетку производить конкретный выходной сигнал, например, активировать или подавлять ген.
«Весь бортовой компьютер Apollo 11 был построен из электронных вентилей ИЛИ-НЕ. Нам удалось создать белковые вентили ИЛИ-НЕ. Они не так сложны, как компьютеры NASA, но, тем не менее, являются ключевым шагом к программированию сложных биологических цепей с нуля», — сказал ведущий автор Цзыбо Чэнь.
Привлечение собственных иммунных клеток пациента для борьбы с раком сработало для некоторых форм заболевания. Тем не менее, нацеливание на солидные опухоли с помощью так называемой терапии CAR-T-клетками оказалось сложной задачей.
Учёные считают, что часть причины связана с истощением Т-клеток. Генетически модифицированные Т-клетки могут бороться лишь ограниченное время, прежде чем перестанут работать. Возможно, есть способ обойти это. С помощью белковых логических вентилей, реагирующих на сигналы истощения, команда UW Medicine надеется продлить активность CAR T-клеток.
«Более долгоживущие Т-клетки, лучше запрограммированные для каждого пациента, означали бы более эффективную персонализированную медицину», — сказал Чэнь.