Os bioengenheiros da Rice College desenvolveram um novo package de construção para construir circuitos personalizados de detecção e resposta em células humanas. A pesquisa, publicada na revista Ciênciarepresenta um grande avanço no campo da biologia sintética que poderá revolucionar as terapias para doenças complexas como doenças autoimunes e cancro.
“Think about pequenos processadores dentro de células feitos de proteínas que podem ‘decidir’ como responder a sinais específicos, como inflamação, marcadores de crescimento tumoral ou níveis de açúcar no sangue”, disse Xiaoyu Yang, estudante de graduação em Sistemas, Biologia Sintética e Física. . programa da Rice, que é o autor principal do estudo. “Este trabalho nos aproxima muito mais da capacidade de construir ‘células inteligentes’ que podem detectar sinais de doenças e liberar imediatamente tratamentos personalizáveis em resposta.”
A nova abordagem ao design de circuitos celulares artificiais baseia-se na fosforilação – um processo pure que as células utilizam para responder ao seu ambiente que apresenta a adição de um grupo fosfato a uma proteína. A fosforilação está envolvida em uma ampla gama de funções celulares, incluindo a conversão de sinais extracelulares em respostas intracelulares – por exemplo, mover-se, secretar uma substância, reagir a um patógeno ou expressar um gene.
Em organismos multicelulares, a sinalização baseada na fosforilação geralmente envolve um efeito em cascata de vários estágios, como a queda de dominós. Tentativas anteriores de aproveitar este mecanismo para fins terapêuticos em células humanas concentraram-se na reengenharia de vias de sinalização nativas existentes. No entanto, a complexidade dos caminhos torna-os difíceis de trabalhar, pelo que as aplicações permaneceram bastante limitadas.
Graças às novas descobertas dos investigadores de Rice, no entanto, as inovações baseadas na fosforilação na engenharia de “células inteligentes” poderão registar um aumento significativo nos próximos anos. O que permitiu esse avanço foi uma mudança de perspectiva:
A fosforilação é um processo sequencial que se desenvolve como uma série de ciclos interconectados que vão desde a entrada celular (ou seja, algo que a célula encontra ou sente em seu ambiente) até a saída (o que a célula faz em resposta). O que a equipe de pesquisa percebeu – e se propôs a provar – foi que cada ciclo em uma cascata pode ser tratado como uma unidade elementar, e essas unidades podem ser ligadas entre si de novas maneiras para construir caminhos inteiramente novos que liguem as entradas e saídas celulares. .
“Isso abre dramaticamente o espaço de design de circuitos de sinalização”, disse Caleb Bashor, professor assistente de bioengenharia e biociências e autor correspondente do estudo. “Acontece que os ciclos de fosforilação não estão apenas interligados, mas também interconectáveis – isso é algo que antes não tínhamos certeza se poderia ser feito com esse nível de sofisticação.
“Nossa estratégia de projeto nos permitiu projetar circuitos de fosforilação sintética que não são apenas altamente ajustáveis, mas que também podem funcionar em paralelo com os próprios processos das células, sem afetar sua viabilidade ou taxa de crescimento.”
Embora isto possa parecer simples, descobrir as regras sobre como construir, conectar e ajustar as unidades – incluindo o design das saídas intra e extracelulares – foi tudo menos isso. Além disso, o facto de circuitos sintéticos poderem ser construídos e implementados em células vivas não period um dado adquirido.
“Não esperávamos necessariamente que nossos circuitos de sinalização sintéticos, que são compostos inteiramente de partes proteicas projetadas, funcionassem com velocidade e eficiência semelhantes às vias de sinalização naturais encontradas nas células humanas”, disse Yang. “Nem é preciso dizer que ficamos agradavelmente surpresos ao descobrir que esse period o caso. Foi preciso muito esforço e colaboração para conseguir isso.”
A abordagem modular do tipo “faça você mesmo” para o projeto de circuitos celulares provou ser capaz de reproduzir uma importante capacidade de nível de sistema das cascatas de fosforilação nativas, ou seja, amplificar sinais de entrada fracos em saídas macroscópicas. Observações experimentais deste efeito verificaram as previsões de modelagem quantitativa da equipe, reforçando o valor da nova estrutura como uma ferramenta elementary para a biologia sintética.
Outra vantagem distinta da nova abordagem para o projeto de circuitos celulares de detecção e resposta é que a fosforilação ocorre rapidamente em apenas segundos ou minutos, de modo que os novos circuitos sintéticos de sinalização de fosfo poderiam ser potencialmente programados para responder a eventos fisiológicos que ocorrem em uma escala de tempo semelhante. . Em contraste, muitos projetos anteriores de circuitos sintéticos baseavam-se em diferentes processos moleculares, como a transcrição, que podem levar muitas horas para serem ativados.
Os pesquisadores também testaram a sensibilidade e a capacidade dos circuitos de responder a sinais externos, como fatores inflamatórios. Para provar o seu potencial de tradução, a equipe usou a estrutura para projetar um circuito celular que pode detectar esses fatores e pode ser usado para controlar surtos autoimunes e reduzir a toxicidade associada à imunoterapia.
“Nossa pesquisa prova que é possível construir circuitos programáveis em células humanas que respondam a sinais com rapidez e precisão, e é o primeiro relatório de um package de construção para engenharia de circuitos de fosforilação sintética”, disse Bashor, que também atua como vice-diretor de o Rice Artificial Biology Institute, que foi lançado no início deste ano para capitalizar a profunda experiência de Rice no campo e catalisar a investigação colaborativa.
Caroline Ajo-Franklin, que atua como diretora do instituto, disse que as descobertas do estudo são um exemplo do trabalho transformador que os pesquisadores do Rice estão realizando na biologia sintética.
“Se nos últimos 20 anos os biólogos sintéticos aprenderam como manipular a forma como as bactérias respondem gradualmente aos estímulos ambientais, o trabalho do laboratório Bashor leva-nos para uma nova fronteira – controlar a resposta imediata das células dos mamíferos à mudança”, disse Ajo-Franklin. , professor de biociências, bioengenharia, engenharia química e biomolecular e bolsista do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas.
