Достижения в компьютерном моделировании и разработке белков продвигают клеточную инженерию

Недавние достижения в биоинженерии и вычислительном моделировании дали исследователям возможность изучать сложные биологические процессы с молекулярной детализацией.

Обзор последних работ в биофизике освещает усилия в области клеточной инженерии — от белков и клеточных компонентов до тканей, выращенных на чипах нового поколения. Автор Нган Хуанг отметила, что быстрые темпы развития побудили её и коллег оценить перспективные направления в этой области, а также ожидаемые в ближайшие годы трудности. Они обсуждают свою работу в новом выпуске журнала APL Bioengineering.

«Меня больше всего воодушевляет междисциплинарный характер этой области. Она объединяет исследователей с разным опытом, включая биофизику, биоматериалы, молекулярную биологию, химическую и системную биологию, вычислительную биологию и биологию развития», — сказала она. — «По мере привлечения в эту область в будущем ещё более разнообразного опыта мы ожидаем ещё большего прогресса».

Достижения в понимании клеточного микроокружения привели к появлению новых механических свойств для изучения. Вязкоупругость и вязкопластичность описывают, как материалы деформируются под действием напряжения и насколько хорошо сохраняют форму. Это понимание показало, как клетки реагируют при столкновении друг с другом и как перемещаются в тесных пространствах.

На молекулярном уровне новые методы, такие как флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET), позволяют исследователям наблюдать и лучше изучать влияние внутренне неупорядоченных белков (IDPs) на физические свойства клеток. IDPs не имеют жёсткой формы, и недавно было обнаружено, что они контролируют клеточные функции, изменяя фазовые переходы внутри клеток.

Сконструированные синтетические белки также стали в последние годы горячей точкой биоинженерных исследований, находя применение в отслеживании ферментов, связанных с клеточными мембранами, и составляя ключевой компонент многих новых иммунотерапий рака.

Разработка всё более мощных вычислительных инструментов для лучшего моделирования молекулярного поведения позволила исследователям точнее предсказывать, как IDPs меняют форму и как будут сворачиваться синтетические белки. Эти инструменты уже помогли исследователям создать простые в использовании чипы, которые воспроизводят поведение специфических биологических тканей.

Технология «орган-на-чипе» стремится предоставить исследователям высокоразрешающий и высокопроизводительный метод для изучения реакции тканей на такие условия, как воздействие экспериментальных лекарств. Такой подход может давать результаты быстрее, без использования испытаний на животных.

«В области многоклеточных систем одной из задач является разработка органов-на-чипе, которые включают сложные пространственные геометрии и типы клеток, чтобы позволить нам изучать, как разные клетки взаимодействуют друг с другом, обеспечивая при этом высокое разрешение визуализации и высокопроизводительный анализ», — сказала Хуанг.

Она выразила надежду, что статья вдохновит студентов из разных дисциплин участвовать в этой области.