Wetenschappers van Rice University hebben synthetische eiwitschakelaars ontwikkeld om de stroom van elektronen te regelen.

De proof-of-concept, metaalbevattende eiwitten gemaakt in het Rice-lab van synthetisch bioloog Joff Silberg komen tot expressie in cellen na de introductie van een chemische stof en worden functioneel geactiveerd door een andere chemische stof. Als de eiwitten in de cel zijn geplaatst, ze kunnen eenvoudig worden in- en uitgeschakeld.

"Dit is geen metafoor voor een schakelaar, het is een letterlijke elektrische schakelaar opgebouwd uit een eiwit, ' zei Silberg.

De eiwitten kunnen de volgende generatie bio-elektronica mogelijk maken, inclusief complete biologische circuits in cellen die hun elektronische tegenhangers nabootsen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer levende sensoren, elektronisch gestuurde stofwisselingsroutes voor chemische synthese en actieve pillen die hun omgeving waarnemen en alleen medicijnen vrijgeven als dat nodig is.

Het werk verschijnt in Natuur Chemische Biologie "Biologie is echt goed in het waarnemen van moleculen, " zei Silberg, een professor in de biowetenschappen en bio-engineering. "Dat is verbazingwekkend. Bedenk hoe complex de cel is, en hoe eiwitten evolueren die kunnen reageren op een enkele prompt in een zee van informatie. We willen dat voortreffelijke vermogen benutten om meer uitgebreide biomoleculen te bouwen en deze te gebruiken om nuttige synthetische biologietechnologieën te ontwikkelen."

Het Rice-team maakt gebruik van die aangeboren vaardigheden. "Natuurlijke eiwitten die elektronen verplaatsen, fungeren min of meer als draden die er altijd zijn, " zei Systemen, synthetisch, en afgestudeerde student Fysische Biologie en hoofdauteur Josh Atkinson. "Als we deze paden kunnen in- en uitschakelen, we kunnen cellen efficiënter laten werken."

De metalloproteïne-schakelaars van Rice - zo genoemd vanwege hun ijzergehalte - zijn snel, zei Silberg. De natuur regelt typisch de elektronenstroom door genetische mechanismen te gebruiken om de productie van de eiwit-"draden" te regelen.

"Het is allemaal transcriptioneel, " zei hij. "Zelfs in een snelgroeiende E coli bacteriën, het duurt vele minuten. Daarentegen, eiwitschakelaars werken op een tijdschaal van seconden."

Om de overstap te maken - die ze gebruiken in een synthetische elektronenoverdrachtsroute - hadden de onderzoekers een stabiel eiwit nodig dat op betrouwbare wijze langs de peptide-ruggengraat kon worden gesplitst om de invoeging van eiwitfragmenten mogelijk te maken die het circuit voltooien of verbreken. Ze baseerden de overstap op ferredoxine, een veelvoorkomend ijzer-zwavel-eiwit dat de elektronenoverdracht in alle domeinen van het leven bemiddelt.

Atkinson ingebouwde schakelaars ingebed in E coli die kan worden aangezet in aanwezigheid (of uit in afwezigheid) van 4-hydroxytamoxifen, een oestrogeenreceptormodulator die wordt gebruikt om borst- en andere kankers te bestrijden, of door bisfenol A (BPA), een synthetische chemische stof die in kunststoffen wordt gebruikt.

Hun E coli bacterie is een mutante stam die is geprogrammeerd om alleen in een sulfaatmedium te groeien wanneer alle componenten van de ferredoxine-elektronentransportketen - inclusief elektronendonor- en acceptoreiwitten - tot expressie worden gebracht. Op die manier, de bacteriën zouden alleen kunnen groeien als de schakelaars aangaan en elektronen overbrengen zoals gepland.

Silberg zei dat de ontdekking zou moeten leiden tot op maat ontworpen schakelaars voor veel toepassingen, inclusief contact met externe elektronische apparaten. "Daarom zijn we zo enthousiast over dit idee van bio-elektronica, een heel veld dat opkomt naarmate synthetische biologie meer controle krijgt over het ontwerp, "zei hij. "Als je dit eenmaal kunt standaardiseren, er zijn allerlei dingen die we kunnen bouwen met cellen."

Dat kunnen slimme pillen zijn die medicijnen alleen op verzoek afgeven, of darmbioomdetectoren die rapporteren over omstandigheden. Of misschien elektrische circuits die zich volledig in cellen bevinden.

"We kunnen al veel van wat elektrotechnici doen met condensatoren en weerstanden in kaart brengen op het metabolisme, maar tot nu toe, er zijn geen schakelaars geweest, ' zei Silberg.

Hij suggereerde dat meerdere schakelaars een cel ook in een biologische processor kunnen veranderen. "Dan konden we digitale parallelle verwerking in de cel zien, " zei hij. "Het verandert de manier waarop we naar biologie kijken."