Gli scienziati hanno creato il primo interruttore proteico completamente artificiale che può funzionare all'interno delle cellule viventi per modificare, o addirittura requisire, i complessi circuiti interni della cellula.

L'interruttore è chiamato LOCKR, abbreviazione di Latching, Gabbia ortogonale/proteina chiave.

Articoli di accompagnamento pubblicati il ​​24 luglio sulla rivista Natura descrivere il design di LOCKR e dimostrare diverse applicazioni pratiche della tecnologia. Il lavoro è stato condotto da team di bioingegneria guidati da David Baker presso l'UW Medicine Institute for Protein Design e Hana El-Samad presso l'UC San Francisco.

Gli scienziati dimostrano che LOCKR può essere "programmato" per modificare l'espressione genica, reindirizzare il traffico cellulare, degradare proteine ​​specifiche, e controllare le interazioni di legame con le proteine. I ricercatori usano anche LOCKR per costruire nuovi circuiti biologici che si comportano come sensori autonomi. Questi circuiti rilevano segnali dall'ambiente interno o esterno della cellula e rispondono apportando modifiche alla cellula. Questo è simile al modo in cui un termostato rileva la temperatura ambiente e dirige un sistema di riscaldamento o raffreddamento a spegnersi non appena viene raggiunta la temperatura desiderata.

Una volta assemblato da una cellula, questi nuovi interruttori misurano solo otto nanometri sul lato più lungo. Servirebbero più di cento milioni per coprire il periodo alla fine di questa frase.

"La capacità di controllare le cellule con proteine ​​di design inaugura una nuova era della biologia, " disse El-Samad, il Kuo Family Professor di Biochimica e Biofisica presso l'UCSF e co-autore senior dei rapporti. "Allo stesso modo in cui i circuiti integrati hanno permesso l'esplosione dell'industria dei chip per computer, questi interruttori biologici versatili e dinamici potrebbero presto sbloccare un controllo preciso sul comportamento delle cellule viventi e, in definitiva, nostra salute."

Non avendo controparti nel mondo naturale, LOCKR si distingue da ogni strumento del commercio biotecnologico, comprese le recenti tecnologie come optogenetica e CRISPR. Mentre i suoi predecessori sono stati scoperti in natura e poi riorganizzati per l'uso nei laboratori, industria, o medicina, LOCKR è tra i primi strumenti biotecnologici interamente concepiti e costruiti dall'uomo.

Gli autori principali dei rapporti sono Bobby Langan e Scott Boyken dell'UW Medicine Institute for Protein Design, e Andrew Ng dell'UC Berkeley-UCSF Graduate Program in Bioingegneria.

"Proprio adesso, ogni cellula sta rispondendo al suo ambiente, " disse Langan. "Le cellule ricevono stimoli, poi devi capire cosa fare al riguardo. Usano sistemi naturali per regolare l'espressione genica o degradare le proteine, Per esempio."

Langan ei suoi colleghi hanno deciso di creare un nuovo modo di interfacciarsi con questi sistemi cellulari. Hanno usato la progettazione computazionale delle proteine ​​per creare proteine ​​autoassemblanti che presentano peptidi bioattivi solo dopo l'aggiunta di specifiche "chiavi" molecolari.

Con una versione di LOCKR installata nel lievito, il team è stato in grado di dimostrare che il fungo geneticamente modificato potrebbe degradare una specifica proteina cellulare in un momento scelto dai ricercatori. Riprogettando l'interruttore, hanno anche dimostrato lo stesso effetto nelle cellule umane cresciute in laboratorio.

Stare in salute, le cellule devono controllare strettamente i loro processi biochimici. Attività anormale in un solo gene, o accumulo della proteina sbagliata, può sconvolgere l'equilibrio di una cellula. Questo potrebbe portare alla morte cellulare o addirittura al cancro. LOCKR offre agli scienziati un nuovo modo di interagire con le cellule viventi. Potrebbe quindi consentire una nuova ondata di terapie per malattie così diverse come il cancro, malattie autoimmuni e altro ancora.

"LOCKR apre un nuovo regno di possibilità per la programmazione delle celle, " ha detto Ng. "Ora siamo limitati più dalla nostra immaginazione e creatività piuttosto che dalle proteine ​​che la natura ha evoluto".