Die Entwicklung eines proteinbasierten Nanocomputers in seiner Fähigkeit, das Zellverhalten zu beeinflussen

Der erste proteinbasierte Nanocomputing-Agent, der als Schaltkreis fungiert, wurde von Forschern der Penn State University entwickelt. Dieser Erfolg bringt sie der Entwicklung zellbasierter Therapien der nächsten Generation zur Behandlung von Krankheiten wie Diabetes und Krebs einen Schritt näher.

Herkömmliche Ansätze der synthetischen Biologie für zellbasierte Therapien, etwa solche, die Krebszellen zerstören oder die Geweberegeneration nach einer Infektion fördern, basieren auf der Expression oder Unterdrückung von Proteinen, die die gewünschte Wirkung innerhalb der Zelle hervorrufen. Dieser Ansatz kann einige Zeit in Anspruch nehmen (bis die Proteine ​​exprimiert und abgebaut werden) und dabei zelluläre Energie kosten. Ein Team des Penn State University College of Medicine und der Forscher des Hack Institutes of Life Sciences verfolgt einen anderen Ansatz.

Nikolay Dokulian, Professor J. „Unsere auf Proteinen oder Nanocomputing-Agenten basierenden Geräte reagieren direkt auf Reize (Input) und erzeugen dann die gewünschte Aktion (Output).“

In einer Studie veröffentlicht in Die Wissenschaft schreitet voranund Dokholyan und der Doktorand in Bioinformatik und Genomik Jiaxing Chen beschreiben ihren Ansatz zur Entwicklung des Nanocomputing-Agenten. Sie entwarfen ein Zielprotein, indem sie zwei Sensordomänen oder -regionen fusionierten, die auf Reize reagieren. In diesem Fall reagiert das Zielprotein auf Licht und einen Wirkstoff namens Rapamycin, indem es seine Ausrichtung oder Position im Raum verändert.

Um ihr Design zu testen, fügte das Team sein manipuliertes Protein in lebende Zellen in Kultur ein. Indem sie kultivierte Zellen Reizen aussetzten, verwendeten sie Geräte, um Veränderungen in der Zellorientierung zu messen, nachdem Zellen Reizen von Sensordomänen ausgesetzt wurden.

Bisher benötigte ein Nanocomputing-Agent zwei Eingaben, um eine Ausgabe zu erzeugen. Nun sagt Chen, dass es zwei mögliche Ergebnisse gibt und der Output von der Reihenfolge abhängt, in der die Inputs eingegangen sind. Wenn zuerst Rapamycin und dann Licht nachgewiesen werden, nimmt die Zelle einen bestimmten Ausrichtungswinkel ein. Wenn die Reize jedoch in umgekehrter Reihenfolge empfangen werden, nimmt die Zelle einen anderen Ausrichtungswinkel an. Laut Chen öffnet dieser experimentelle Proof-of-Concept die Tür zur Entwicklung komplexerer Nanocomputing-Agenten.

„Theoretisch gilt: Je mehr Eingaben man in einen Nanocomputer-Faktor einbezieht, desto größer sind die potenziellen Ergebnisse, die sich aus verschiedenen Kombinationen ergeben können“, sagte Chen. „Mögliche Inputs könnten physikalische oder chemische Reize sein, und Outputs könnten Veränderungen im zellulären Verhalten sein, etwa Zellorientierung, Migration, Modulation der Genexpression und Immunzytotoxizität gegen Krebszellen.“

Das Team plant, eigene Nanocomputing-Agenten zu entwickeln und mit verschiedenen Anwendungen der Technologie zu experimentieren. Ihr Konzept könnte eines Tages die Grundlage für zellbasierte Therapien der nächsten Generation für verschiedene Krankheiten wie Autoimmunerkrankungen, Virusinfektionen, Diabetes, Nervenverletzungen und Krebs bilden, sagte Doculian, Forscher am Penn State Cancer Institute und am Penn State Institute for Neurowissenschaften. .

Yashavantha Vishweshwarya, Richard Millman und Erdem Tabdanov vom Penn State Medical College trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.