De creatie van computers op nanoschaal voor gebruik in precisiegezondheidszorg is al lang een droom van veel wetenschappers en zorgverleners. Nu hebben onderzoekers van Penn State voor het eerst een nanocomputingmiddel geproduceerd dat de functie van een bepaald eiwit kan controleren dat betrokken is bij celbeweging en kankermetastase. Het onderzoek maakt de weg vrij voor de bouw van complexe computers op nanoschaal voor de preventie en behandeling van kanker en andere ziekten.

Nikolay Dokholyan, G. Thomas Passananti Professor, Penn State College of Medicine, en zijn collega's - waaronder Yashavantha Vishweshwaraiah, postdoctoraal wetenschapper in farmacologie, Penn State - creëerden een transistorachtige 'logische poort', een soort computerbewerking waarbij meerdere ingangen besturen een uitgang.

"Onze logische poort is nog maar het begin van wat je cellulair computergebruik zou kunnen noemen," zei hij, "maar het is een belangrijke mijlpaal omdat het het vermogen aantoont om voorwaardelijke bewerkingen in een eiwit in te bedden en de functie ervan te beheersen", zei Dokholyan. "Het zal stellen ons in staat een dieper inzicht te krijgen in de menselijke biologie en ziekte en introduceert mogelijkheden voor de ontwikkeling van precisietherapieën."

De logische poort van het team bestond uit twee sensordomeinen die zijn ontworpen om te reageren op twee inputs:licht en het medicijn rapamycine. Het team richtte zich op het eiwit focale adhesiekinase (FAK) omdat het betrokken is bij celadhesie en -beweging, wat de eerste stappen zijn in de ontwikkeling van uitgezaaide kanker.

"Eerst introduceerden we een rapamycine-gevoelig domein, uniRapr genaamd, dat het lab eerder had ontworpen en bestudeerd, in het gen dat codeert voor FAK," zei Vishweshwaraiah. "Vervolgens introduceerden we het domein, LOV2, dat gevoelig is voor licht. Nadat we beide domeinen hadden geoptimaliseerd, hebben we ze gecombineerd tot één definitief ontwerp met logische poorten."

Het team bracht het gemodificeerde gen in HeLa-kankercellen in en observeerde de cellen met behulp van confocale microscopie in vitro. Ze bestudeerden de effecten van elk van de inputs afzonderlijk, evenals de gecombineerde effecten van de inputs, op het gedrag van de cellen.

Ze ontdekten dat ze niet alleen FAK snel konden activeren met licht en rapamycine, maar ook dat deze activering ertoe leidde dat de cellen interne veranderingen ondergingen die hun adhesievermogen verbeterden, wat uiteindelijk hun beweeglijkheid verminderde.

Hun resultaten zijn vandaag (16 november) gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

"We laten voor het eerst zien dat we een functionerend nanocomputermiddel in levende cellen kunnen bouwen dat het celgedrag kan controleren", zei Vishweshwaraiah. "We hebben ook enkele interessante eigenschappen van het FAK-eiwit ontdekt, zoals de veranderingen die het in cellen teweegbrengt wanneer het wordt geactiveerd."

Dokholyan merkte op dat het team hoopt deze nanocomputermiddelen uiteindelijk in vivo te testen in levende organismen.

Andere auteurs van Penn State op het papier zijn Jiaxing Chen, afgestudeerde student; Venkat R. Chirasani, postdoctoraal onderzoeker; en Erdem D. Tabdanov, assistent-professor farmacologie. + Verder verkennen

Cellen veranderen in computers met logische eiwitpoorten