Биоинженер создал молекулярный «переключатель» для перепрограммирования клеточных сигнальных путей

Биоинженер из Стэнфордского университета помог разработать технологию, способную изменять системы управления, регулирующие внутренние процессы клеток. Это открывает путь к будущим медицинским вмешательствам, которые смогут «выключать» болезненные состояния или «включать» здоровые процессы.

Статья, опубликованная в Science Express, описывает биологический инструмент, который старший автор Кристина Смолк, PhD, доцент биоинженерии, назвала молекулярным сетевым переключателем (molecular network diverter).

Этот молекулярный переключатель использует согласованное действие трёх биологических подсистем для перенаправления сигнальных путей — сложных сетей молекулярных взаимодействий, управляющих клеточными механизмами.

Эксперименты, описанные Смолк и её коллегами (Кейт Гэллоуэй, PhD, из Калифорнийского технологического института и Элисой Франко, PhD, доцентом машиностроения в Калифорнийском университете в Риверсайде), были проведены на дрожжевых клетках.

Однако принципы и методы, воплощённые в молекулярном сетевом переключателе, применимы к сигнальным путям, контролирующим развитие, размножение и смерть всех клеток. Когда эти пути нарушаются у человека, это может вызывать многие виды рака и другие заболевания.

«Мы делаем это на дрожжах, но эти пути очень консервативны, или схожи, у высших организмов», — сказала Смолк. «Следующий шаг, после того как мы показали это на простых системах, — внедрить эту технологию в культуры человеческих клеток».

Первоначальной целью команды было контролировать брачное поведение дрожжей, которое в природе зависит от наличия или отсутствия феромонов.

В серии экспериментов исследователи пытались индуцировать или подавить брачное поведение дрожжей независимо от активности феромонов.

Сначала различные используемые техники взаимно подавляли друг друга. Но с помощью компьютерного моделирования и тонкой настройки химических компонентов им удалось создать молекулярный сетевой переключатель, объединив три метода в единую технологию. Её элементы они назвали:

• Трансдьюсер — РНК-система, собирающая информацию о химической среде клетки.
• Промотор — молекулярный агент, помогающий инициировать и модулировать желаемое изменение.
• Регулятор пути — находит подходящую точку в сигнальном пути клетки для вмешательства.

«Элементы, которые мы использовали для построения этой системы управления, уже существовали. Новое — это их модульное объединение в этот молекулярный сетевой переключатель», — пояснила Смолк.

Путём химической настройки этого переключателя исследователи смогли:

• индуцировать спаривание дрожжей в отсутствие феромонов;
• подавить брачное поведение даже при наличии феромонов;
• создать клеточные линии, в которых этот механизм регуляции пути находился в нейтральном состоянии до тех пор, пока исследователи не «переключали» этот химический триггер.

«Мы создали этот инструмент, и сам инструмент — это система управления и методология её реализации», — сказала Смолк, добавив, что на основе этого доказательства концепции «мы можем предложить другие обобщённые стратегии проектирования».

Джеймс Коллинз, PhD, профессор биомедицинской инженерии Бостонского университета и исследователь Института Висса при Гарвардском университете, не участвовавший в эксперименте, назвал работу новой системной стратегией создания инструментов для биоинженерии.

«Она показывает, что нам не нужно начинать с нуля. Мы можем достичь прогресса, используя компоненты, которые у нас уже есть», — сказал Коллинз, описав работу как «применение инженерных принципов к клеточной биологии» и «важный шаг для синтетической биологии».