Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato interruttori proteici sintetici per controllare il flusso di elettroni.

La prova del concetto, le proteine ​​contenenti metalli prodotte nel laboratorio Rice del biologo sintetico Joff Silberg sono espresse all'interno delle cellule dopo l'introduzione di una sostanza chimica e sono funzionalmente attivate da un'altra sostanza chimica. Se le proteine ​​sono state poste nella cellula, possono essere semplicemente accesi e spenti.

"Questa non è una metafora per un interruttore, è un vero e proprio interruttore elettrico costruito da una proteina, " ha detto Silberg.

Le proteine ​​potrebbero facilitare la bioelettronica di prossima generazione, compresi circuiti biologici completi all'interno delle cellule che imitano le loro controparti elettroniche. Le possibili applicazioni includono sensori viventi, vie metaboliche controllate elettronicamente per la sintesi chimica e pillole attive che rilevano il loro ambiente e rilasciano farmaci solo quando necessario.

L'opera appare in Natura chimica biologia "La biologia è davvero brava a percepire le molecole, " ha detto Silberg, professore di bioscienze e bioingegneria. "È una cosa incredibile. Pensa a quanto sia complessa la cellula, e come si evolvono le proteine ​​che possono rispondere a un singolo prompt in un mare di informazioni. Vogliamo sfruttare quella squisita capacità di costruire biomolecole più elaborate e usarle per sviluppare utili tecnologie di biologia sintetica".

Il team di Rice sfrutta queste abilità innate. "Le proteine ​​naturali che muovono gli elettroni più o meno agiscono come fili che sono sempre lì, " ha detto Sistemi, Sintetico, e studente laureato in biologia fisica e autore principale Josh Atkinson. "Se possiamo attivare e disattivare questi percorsi, possiamo far funzionare le cellule in modo più efficiente."

Gli interruttori metalloproteine ​​​​del riso, così chiamati per il loro contenuto di ferro, sono rapidi, ha detto Silberg. La natura in genere controlla il flusso di elettroni utilizzando meccanismi genetici per controllare la produzione dei "fili" proteici.

"È tutto trascrizionale, " ha detto. "Anche in una rapida crescita E. coli batteri, ci vogliono molti minuti. Al contrario, gli interruttori proteici funzionano su una scala temporale di secondi."

Per effettuare l'interruttore, che usano in un percorso di trasferimento di elettroni sintetico, i ricercatori avevano bisogno di una proteina stabile che potesse essere divisa in modo affidabile lungo la sua struttura peptidica per consentire l'inserimento di frammenti proteici che completano o interrompono il circuito. Hanno basato l'interruttore sulla ferredossina, una comune proteina ferro-zolfo che media il trasferimento di elettroni in tutti i domini della vita.

Interruttori costruiti da Atkinson integrati in E. coli che può essere attivato in presenza (o disattivato in assenza) di 4-idrossitamoxifene, un modulatore del recettore degli estrogeni usato per combattere il cancro al seno e altri tumori, o dal bisfenolo A (BPA), una sostanza chimica sintetica utilizzata nella plastica.

I loro E. coli il batterio è un ceppo mutante programmato per crescere solo in un mezzo solfato quando tutti i componenti della catena di trasporto degli elettroni della ferredossina, comprese le proteine ​​donatori e accettori di elettroni, sono espressi. Quel modo, i batteri potrebbero crescere solo se gli interruttori si accendono e trasferiscono gli elettroni come previsto.

Silberg ha affermato che la scoperta dovrebbe portare a switch progettati su misura per molte applicazioni, compreso il contatto con dispositivi elettronici esterni. "Ecco perché siamo stati così entusiasti di questa idea di bioelettronica, un intero campo che sta emergendo man mano che la biologia sintetica ottiene un maggiore controllo sul design, " ha detto. "Una volta che puoi standardizzare questo, ci sono tutti i tipi di cose che possiamo costruire con le cellule."

Ciò potrebbe includere pillole intelligenti che rilasciano farmaci solo su richiesta, o rilevatori di biomi intestinali che riportano le condizioni. O forse circuiti elettrici contenuti interamente all'interno di cellule.

"Possiamo già mappare molto di ciò che gli ingegneri elettrici fanno con condensatori e resistori sul metabolismo, ma fino ad ora, non ci sono stati interruttori, " ha detto Silberg.

Ha suggerito che più interruttori potrebbero anche trasformare una cellula in un processore biologico. "Poi abbiamo potuto vedere l'elaborazione parallela digitale nella cella, " ha detto. "Cambia il modo in cui guardiamo alla biologia".