Лабораторія Райса є піонером у створенні монтажного набору для синтетичних схем відчуття та реакції в клітинах людини. Біоінженери Університету Райса створили новаторський конструктор для проектування власних схем відчуття та реакції в клітинах людини. Опубліковане в Science, це дослідження знаменує собою значний прогрес у синтетичній біології з потенціалом трансформації лікування складних захворювань, таких як рак і аутоімунні розлади.
«Уявіть собі крихітні процесори всередині клітин, що складаються з білків, які можуть «вирішувати», як реагувати на конкретні сигнали, такі як запалення, маркери росту пухлини або рівень цукру в крові», — сказав Сяоюй Ян, аспірант факультету системної, синтетичної та фізичної біології, доктор філософії. Райс, який є провідним автором дослідження. «Ця робота наближає нас до можливості створювати «розумні клітини», які можуть виявляти ознаки захворювання та негайно запускати налаштовані методи лікування».
Новий підхід до дизайну штучних клітинних ланцюгів спирається на фосфорилювання — природний процес, який клітини використовують, щоб реагувати на навколишнє середовище, яке включає додавання фосфатної групи до білка. Фосфорилювання бере участь у широкому спектрі клітинних функцій, включаючи перетворення позаклітинних сигналів у внутрішньоклітинні реакції — наприклад, пересування, секреція речовини, реакція на патоген або експресія гена.
У багатоклітинних організмах передача сигналів на основі фосфорилювання часто передбачає багатоступінчастий каскадний ефект, як падіння кісточок доміно. Попередні спроби використання цього механізму для терапевтичних цілей у клітинах людини були зосереджені на реконструкції нативних існуючих сигнальних шляхів. Однак через складність шляхів з ними важко працювати, тому програми залишаються досить обмеженими.
Новий погляд на дизайн схем
Однак завдяки новим відкриттям дослідників Райса, інновації на основі фосфорилювання в інженерії «розумних клітин» можуть побачити значне зростання в найближчі роки. Цей прорив сприяв зміні перспективи.
Фосфорилювання — це послідовний процес, який розгортається як серія взаємопов’язаних циклів, що ведуть від клітинного входу (тобто чогось, що клітина зустрічає або відчуває у своєму середовищі) до виходу (те, що клітина робить у відповідь). Те, що дослідницька група зрозуміла — і вирішила довести — це те, що кожен цикл у каскаді можна розглядати як елементарну одиницю, і ці одиниці можна з’єднати разом новими способами, щоб побудувати абсолютно нові шляхи, які зв’язують клітинні входи та виходи.
«Це різко відкриває простір для проектування сигнальних схем», — сказав Калеб Башор, доцент кафедри біоінженерії та біологічних наук і автор дослідження. «Виявилося, що цикли фосфорилювання не просто взаємопов’язані, а взаємопов’язані — це те, що раніше ми не були впевнені, що можна зробити з таким рівнем складності.
«Наша стратегія проектування дозволила нам розробити схеми синтетичного фосфорилювання, які не тільки добре настроюються, але й можуть функціонувати паралельно з власними процесами клітин, не впливаючи на їхню життєздатність чи швидкість росту».
Хоча це може здатися простим, з’ясувати правила того, як будувати, з’єднувати та налаштовувати одиниці, включаючи дизайн внутрішньо- та позаклітинних виходів, було чим завгодно. Крім того, той факт, що синтетичні схеми можуть бути побудовані та реалізовані в живих клітинах, не був даністю.
«Ми не обов’язково очікували, що наші синтетичні сигнальні ланцюги, які повністю складаються зі сконструйованих білкових частин, працюватимуть з такою ж швидкістю та ефективністю, як природні сигнальні шляхи, виявлені в людських клітинах», — сказав Янг. «Зайве говорити, що ми були приємно здивовані, виявивши, що це так. Щоб це зробити, знадобилося багато зусиль і співпраці».
Переваги модульного підходу
Модульний підхід до дизайну стільникового зв’язку «зроби сам» виявився здатним відтворити важливу здатність природних каскадів фосфорилювання на системному рівні, а саме посилення слабких вхідних сигналів у макроскопічні виходи. Експериментальні спостереження за цим ефектом підтвердили прогнози кількісного моделювання команди, підкріплюючи цінність нової основи як основного інструменту для синтетичної біології.
Ще одна явна перевага нового підходу до дизайну клітинних ланцюгів «відчуй і реагуй» полягає в тому, що фосфорилювання відбувається швидко всього за секунди або хвилини, тому нові синтетичні фосфосигнальні ланцюги потенційно можуть бути запрограмовані на реакцію на фізіологічні події, які відбуваються в аналогічному часовому масштабі. Навпаки, багато попередніх дизайнів синтетичних схем базувалися на різних молекулярних процесах, таких як транскрипція, для активації якої може знадобитися багато годин.
Дослідники також перевірили схеми на чутливість і здатність реагувати на зовнішні сигнали, такі як фактори запалення. Щоб довести його трансляційний потенціал, команда використала структуру для створення клітинної схеми, яка може виявляти ці фактори та може бути використана для контролю аутоімунних спалахів і зниження токсичності, пов’язаної з імунотерапією.
«Наше дослідження доводить, що можна побудувати програмовані схеми в людських клітинах, які швидко й точно реагують на сигнали, і це перший звіт про конструкторський набір для розробки ланцюгів синтетичного фосфорилювання», — сказав Башор, який також є заступником директора Інституту синтетичної біології Райса, який був запущений на початку цього року, щоб використати глибокий досвід Райс у цій галузі та каталізувати спільні дослідження.
Керолайн Аджо-Франклін, яка є директором інституту, сказала, що результати дослідження є прикладом трансформаційної роботи, яку проводять дослідники Райс у синтетичній біології.
«Якщо за останні 20 років біологи-синтетики навчилися маніпулювати тим, як бактерії поступово реагують на сигнали навколишнього середовища, робота лабораторії Bashor веде нас до нового рубежу — контролю негайної реакції клітин ссавців на зміни», — сказав Аджо-Франклін, професор біологічних наук, біоінженерії, хімічної та біомолекулярної інженерії та відділу профілактики та дослідження раку. Вчений Техаського інституту.