Ускорение реакции генетически модифицированных человеческих клеток

Исследователи из Национального института химии Словении разработали новый подход для регуляции реакции человеческих клеток, позволяя им реагировать на внешние стимулы за минуты вместо часов. Авторы считают, что их система может быть полезна в различных медицинских приложениях.

Контроль клеточного ответа важен для клеточной терапии, так как может повысить её эффективность и безопасность. Хотя достижения в генной инженерии позволили добиться точного детектирования и запрограммированных реакций на биологические и химические сигналы, скорость обработки информации внутри клеток оставалась проблемой. Теперь исследователи сообщают, что им удалось зафиксировать реакцию клеток на запрограммированные сигналы в течение минут, а не часов.

Как объясняет ведущий автор исследования, аспирант Тина Финк, обычно биологические схемы основаны на регуляции экспрессии генов. Этот процесс (транскрипция ДНК в РНК и трансляция РНК в белки) может занимать несколько часов. Новая же система основана на обработке белков, уже присутствующих в клетках, что позволяет обойти медленные процессы транскрипции и трансляции.

Два важных природных процесса, контролирующих активность белка, — это расщепление белка (протеолиз) и его сборка в комплексы высшего порядка. Команда использовала протеазы (белки, расщепляющие другие белки в специфичных позициях) и объединила их с coiled coils, которые действуют как молекулярная застёжка-молния и позволяют контролировать соединение белков.

Протеазы были модифицированы так, чтобы становиться активными только в присутствии определённого химического сигнала или света. Действие протеаз индуцирует расщепление и, как следствие, перестройку целевых белков. Корректная обработка информации детектируется с помощью измерения света. Таким образом можно включать и выключать активность белков.

Хотя во всех экспериментах в качестве функционального выхода измерялась эмиссия света, конечная цель исследования — контроль секреции медицински важных белков, таких как инсулин или белки, участвующие в защите от патогенов или в каскаде свёртывания крови.

Как отмечает соавтор исследования Ян Лонзарич, помимо скорости реакции, следующее по важности свойство системы — способность проектировать параллельные или последовательные реакции, подобно логическим вентилям и каскадам. Использованные для контроля сборки белка протеазы сами могут контролироваться таким же образом, с помощью другой протеазы. Учёные успешно продемонстрировали трёхуровневый каскад и логические вентили, позволяющие запрограммированный ответ на комбинацию различных входных сигналов.

Проект, приведший к публикации в журнале Nature Chemical Biology, был первоначально задуман словенской командой iGEM в 2016 году. Несколькими неделями ранее другая группа из Caltech опубликовала статью в журнале Science, в которой также использовала протеазы для активации человеческих клеток. Одновременные публикации из разных университетов и институтов доказывают, что проблема является важной, а найденное решение — надёжным.