Wetenschappers hebben de eerste volledig kunstmatige eiwitschakelaar gemaakt die in levende cellen kan werken om de complexe interne circuits van de cel te wijzigen of zelfs te besturen.

De schakelaar wordt LOCKR genoemd, kort voor Latching, Orthogonale kooi/sleuteleiwit.

Companion papers gepubliceerd op 24 juli in het tijdschrift Natuur het ontwerp van LOCKR beschrijven en verschillende praktische toepassingen van de technologie demonstreren. Het werk werd uitgevoerd door bio-engineeringteams onder leiding van David Baker van het UW Medicine Institute for Protein Design en Hana El-Samad aan de UC San Francisco.

De wetenschappers laten zien dat LOCKR kan worden "geprogrammeerd" om genexpressie te wijzigen, mobiel verkeer omleiden, specifieke eiwitten afbreken, en controle eiwitbindingsinteracties. De onderzoekers gebruiken LOCKR ook om nieuwe biologische circuits te bouwen die zich gedragen als autonome sensoren. Deze circuits detecteren signalen uit de interne of externe omgeving van de cel en reageren door wijzigingen aan te brengen in de cel. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop een thermostaat de omgevingstemperatuur meet en een verwarmings- of koelsysteem stuurt om zichzelf uit te schakelen zodra een gewenste temperatuur is bereikt.

Eenmaal geassembleerd door een cel, deze nieuwe schakelaars meten slechts acht nanometer aan hun langste zijde. Er zou meer dan honderd miljoen nodig zijn om de periode aan het einde van deze zin te dekken.

"Het vermogen om cellen te controleren met designer-eiwitten luidt een nieuw tijdperk van biologie in, " zei El-Samad, de Kuo Family Professor of Biochemistry and Biophysics aan UCSF en co-senior auteur van de rapporten. "Op dezelfde manier waarop geïntegreerde schakelingen de explosie van de computerchipindustrie mogelijk maakten, deze veelzijdige en dynamische biologische schakelaars zouden spoedig nauwkeurige controle over het gedrag van levende cellen kunnen ontsluiten en, uiteindelijk, onze gezondheid."

Geen tegenhanger in de natuurlijke wereld hebben, LOCKR onderscheidt zich van elk instrument van de biotechhandel, waaronder recente technologieën zoals optogenetica en CRISPR. Terwijl zijn voorgangers in de natuur werden ontdekt en vervolgens omgebouwd voor gebruik in laboratoria, industrie, of medicijnen, LOCKR is een van de eerste biotechnologische hulpmiddelen die volledig door mensen is bedacht en gebouwd.

De hoofdauteurs van de rapporten zijn Bobby Langan en Scott Boyken van het UW Medicine Institute for Protein Design, en Andrew Ng van het UC Berkeley-UCSF Graduate Program in Bioengineering.

"Direct, elke cel reageert op zijn omgeving, " zei Langan. "Cellen ontvangen prikkels, dan moet je bedenken wat je eraan kunt doen. Ze gebruiken natuurlijke systemen om genexpressie af te stemmen of eiwitten af ​​te breken, bijvoorbeeld."

Langan en zijn collega's gingen op zoek naar een nieuwe manier om met deze cellulaire systemen te communiceren. Ze gebruikten computationeel eiwitontwerp om zelfassemblerende eiwitten te maken die alleen bioactieve peptiden presenteren na toevoeging van specifieke moleculaire "sleutels".

Met een versie van LOCKR geïnstalleerd in gist, het team was in staat om aan te tonen dat de genetisch gemanipuleerde schimmel kan worden gemaakt om een ​​specifiek cellulair eiwit af te breken op een tijdstip naar keuze van de onderzoekers. Door de schakelaar opnieuw te ontwerpen, ze vertoonden ook hetzelfde effect in in het laboratorium gekweekte menselijke cellen.

Gezond blijven, cellen moeten hun biochemische processen streng controleren. Abnormale activiteit in slechts één gen, of opbouw van het verkeerde eiwit, kan het evenwicht van een cel verstoren. Dit kan leiden tot celdood of zelfs kanker. LOCKR geeft wetenschappers een nieuwe manier om met levende cellen om te gaan. Het zou daardoor een nieuwe golf van therapieën mogelijk kunnen maken voor ziekten zo divers als kanker, auto-immuunziekten en meer.

"LOCKR opent een geheel nieuwe wereld van mogelijkheden voor het programmeren van cellen, " zei Ng. "We worden nu meer beperkt door onze verbeeldingskracht en creativiteit dan door de eiwitten die de natuur heeft ontwikkeld."