Los ingenieros del MIT han diseñado el primer circuito artificial compuesto enteramente por interacciones proteína-proteína rápidas y reversibles. Mientras que los circuitos biológicos anteriores tardan mucho en responder, este circuito puede responder en segundos.
El creciente campo de la biología sintética permite a los ingenieros crear células que realizan nuevas funciones, como alterar células para expresar genes que pueden activarse mediante determinadas entradas. Sin embargo, el inconveniente es el gran retraso entre la entrada (por ejemplo, la detección de una molécula importante) y la salida resultante, debido al tiempo necesario para que las células transcriban y traduzcan los genes necesarios.
Ahora, los biólogos sintéticos del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT han desarrollado un enfoque alternativo para diseñar dichos circuitos, que utiliza interacciones proteína-proteína rápidas y reversibles. Esto elimina la necesidad de esperar a que los genes se transcriban o traduzcan en proteínas, lo que reduce el tiempo de trabajo a segundos.
«Ahora tenemos una metodología para diseñar interacciones de proteínas que ocurren en una escala de tiempo muy rápida, y nadie ha podido desarrollarla de manera sistemática», dijo Deepak Mishra, autor principal de Ciencias un estudio.
Las interacciones proteína-proteína son pasos críticos en muchas vías de señalización, incluidas las involucradas en la activación de las células inmunes y la respuesta hormonal. Estas reacciones a menudo involucran una proteína que activa o inactiva otra proteína al agregar o eliminar grupos químicos llamados fosfatos.
En este estudio, los investigadores utilizaron células de levadura para albergar su circuito y crearon una red de 14 proteínas de una amplia variedad de especies, incluidas levaduras, bacterias, plantas y humanos. Los investigadores modificaron las proteínas para que pudieran organizarse entre sí en la red, produciendo una respuesta a un evento específico. La red es un «interruptor»: un circuito que puede cambiar rápida y reversiblemente entre dos estados estables, lo que le permite mantener una «memoria» de eventos; En este caso, la presencia de sorbitol.
Una vez que se detecta el sorbitol, la célula almacena la memoria de exposición en forma de una proteína fluorescente que se localiza en el núcleo. Esto se transmite a las generaciones futuras de células. Sin embargo, el circuito se puede restablecer cuando se expone a una molécula diferente, en este caso isopentenil adenina.
La Red de Investigadores del MIT es el primer circuito sintético compuesto enteramente por interacciones de fosforilación / desfosforilación proteína-proteína. Las redes de este tipo se pueden programar para realizar una variedad de otras funciones en respuesta a una entrada; Demostraron su versatilidad diseñando un segundo circuito que previene la división celular tras el descubrimiento del sorbitol.
Según los investigadores, se pueden usar grandes conjuntos de estas células para crear sensores ultrasensibles que respondan a pequeños rastros de una molécula objetivo (tan bajos como partes por mil millones). La velocidad de las interacciones proteína-proteína significa que una señal puede aparecer en menos de un segundo, en comparación con las horas o incluso los días de los circuitos sintéticos tradicionales.
«Este cambio a velocidades extremadamente altas será realmente importante para avanzar en la biología sintética y expandir los tipos de posibles aplicaciones», dijo el profesor Ron Weiss, experto en ingeniería eléctrica e informática.
La red que Weiss y sus colegas diseñaron para este estudio es más grande y más compleja que los circuitos sintéticos anteriores. Los investigadores, interesados en averiguar si las redes comparables son de origen natural, utilizaron un modelo computacional para identificar seis «redes de conmutación» de origen natural en la levadura que nunca antes se habían visto.
«No consideraríamos buscarlos porque no son intuitivos. No son necesariamente perfectos o elegantes, pero encontramos múltiples ejemplos de estos comportamientos de interruptores de palanca», continuó Weiss. «Este es un nuevo enfoque inspirado en la ingeniería para descubrir redes reguladoras en sistemas biológicos».
Los circuitos basados en proteínas como este creado por los investigadores podrían tener aplicaciones de sensores en el medio ambiente y la medicina, detectando potencialmente estados de enfermedad o, cuando están ‘programados’ en células humanas, dando advertencias de ataques cardíacos inminentes o sobredosis de drogas. depósito de productos químicos para contrarrestar el evento. Esperan utilizar circuitos basados en proteínas para crear sensores de contaminantes ambientales.
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