Фосфорилирование как основа для «умных клеток»: прорыв в синтетической биологии

Биоинженеры Университета Райса разработали новый конструктор для создания собственных цепей чувство-реакция в клетках человека. Исследование представляет собой большой прорыв в области синтетической биологии, который может произвести революцию в терапии таких сложных заболеваний, как аутоиммунные болезни и рак.

Результаты опубликованы в журнале Science.

Представьте себе крошечные процессоры внутри клеток, состоящие из белков, которые могут «решать», как реагировать на определенные сигналы, такие как воспаление, маркеры роста опухоли или уровень сахара в крови, — говорит Сяоюй Ян (на фото), аспирант в Райсе, ведущий автор исследования.

Эта работа значительно приближает нас к созданию «умных клеток», способных обнаруживать признаки заболевания и немедленно выпускать в ответ на них индивидуально подобранное лечение.

Новый подход к созданию искусственных клеточных схем основан на фосфорилировании — естественном процессе, который клетки используют для реагирования на окружающую среду и который заключается в присоединении фосфатной группы к белку. Фосфорилирование участвует в широком спектре клеточных функций, включая преобразование внеклеточных сигналов во внутриклеточные реакции — например, движение, выделение вещества, реакцию на патоген или экспрессию гена.

В многоклеточных организмах передача сигналов на основе фосфорилирования часто включает в себя многоступенчатый каскадный эффект, подобный падающему домино. Предыдущие попытки использовать этот механизм в терапевтических целях в клетках человека были направлены на реинжиниринг нативных, существующих сигнальных путей. Однако сложность этих путей затрудняет работу с ними, поэтому их применение остается довольно ограниченным.

Однако благодаря новым открытиям исследователей инновации в области инженерии «умных клеток» на основе фосфорилирования могут значительно расшириться в ближайшие годы. Прорыв был достигнут благодаря изменению перспективы:

Фосфорилирование — это последовательный процесс, который разворачивается как серия взаимосвязанных циклов, ведущих от клеточного входа (то есть того, с чем клетка сталкивается или что она чувствует в окружающей среде) к выходу (тому, что клетка делает в ответ). Исследовательская группа поняла и попыталась доказать, что каждый цикл в каскаде может рассматриваться как элементарная единица, и эти единицы могут быть соединены вместе новыми способами для построения совершенно новых путей, связывающих клеточные входы и выходы.

Это значительно расширяет пространство для проектирования сигнальных цепей, — говорит Калеб Башор, доцент кафедры биоинженерии и бионаук и автор-корреспондент исследования.

Оказывается, циклы фосфорилирования не просто взаимосвязаны, а взаимозависимы — это то, что мы раньше не были уверены, что можно сделать с таким уровнем сложности.

Наша стратегия проектирования позволила нам создать синтетические фосфорилирующие циклы, которые не только хорошо настраиваются, но и могут функционировать параллельно с собственными процессами клеток, не влияя на их жизнеспособность и скорость роста.

Хотя это может показаться простым, выяснение правил построения, соединения и настройки блоков — включая дизайн внутриклеточных и внеклеточных выходов — было нелегким делом. Более того, тот факт, что синтетические схемы могут быть построены и реализованы в живых клетках, не был само собой разумеющимся.

Мы не ожидали, что наши синтетические сигнальные цепи, полностью состоящие из сконструированных белковых частей, будут работать с той же скоростью и эффективностью, что и естественные сигнальные пути в клетках человека, — говорит Янг.

Нет нужды говорить, что мы были приятно удивлены, обнаружив, что так оно и есть. Потребовалось много усилий и совместной работы, чтобы осуществить задуманное.

Модульный подход к созданию клеточных схем «сделай сам» оказался способен воспроизвести важную системную способность нативных фосфорилирующих каскадов, а именно усиление слабых входных сигналов в макроскопические выходные. Экспериментальные наблюдения этого эффекта подтвердили количественные предсказания команды, что усилило ценность нового подхода как основополагающего инструмента для синтетической биологии.

Еще одно преимущество нового подхода к созданию клеточных схем «чувствуй и отвечай» заключается в том, что фосфорилирование происходит быстро, всего за несколько секунд или минут, поэтому новые синтетические фосфо-сигнальные схемы могут быть запрограммированы на реакцию на физиологические события, происходящие в аналогичном временном масштабе. В отличие от этого, многие предыдущие синтетические схемы были основаны на других молекулярных процессах, таких как транскрипция, для активации которой может потребоваться много часов.

Исследователи также проверили схемы на чувствительность и способность реагировать на внешние сигналы, такие как воспалительные факторы. Чтобы доказать практический потенциал этого метода, команда использовала его для создания клеточной схемы, которая может распознавать эти факторы и может быть использована для контроля аутоиммунных вспышек и снижения токсичности, связанной с иммунотерапией.

Наше исследование доказывает, что в клетках человека можно создавать программируемые схемы, которые быстро и точно реагируют на сигналы, и это первое сообщение о наборе для создания синтетических схем фосфорилирования, — сказал Башор, который также является заместителем директора Института синтетической биологии Райса, созданного в начале этого года с целью использования глубокого опыта Райса в этой области и активизации совместных исследований.

Каролина Аджо-Франклин, занимающая должность директора института, сказала, что результаты исследования являются примером преобразующей работы, которую проводят ученые Райса в области синтетической биологии.

Если за последние 20 лет синтетические биологи научились манипулировать тем, как бактерии постепенно реагируют на сигналы окружающей среды, то работа лаборатории Башора выводит нас на новый рубеж — управление немедленной реакцией клеток млекопитающих на изменения, — сказала Аджо-Франклин, профессор биологических наук, биоинженерии, химической и биомолекулярной инженерии и стипендиат Техасского института профилактики и исследования рака.

Ранее ученые научили гидрогель играть в пинг-понг, и он делает это словно живой.

03.01.2025