Nanoskala platform har til formål at kontrollere proteinniveauer

Et antistof i nanoskala, der først blev fundet i kameler kombineret med et proteinnedbrydende molekyle, er en effektiv ny platform til at kontrollere proteinniveauer i celler, ifølge Rice University-forskere. Teknikken kunne hjælpe med grundlæggende forskning i cellulær dynamik samt design af syntetiske genkredsløb.

Ris kemisk og biomolekylær ingeniør Laura Segatori, tidligere kandidatstuderende Wenting Zhao og tidligere bachelorstuderende Lara Pferdehirt opfandt et bifunktionelt genkendelsessystem, de kalder NanoDeg. Det giver dem mulighed for at målrette specifikke proteiner i en celle og nøje regulere deres nedbrydning.

Plug-and-play-systemet vil give syntetiske biologer mulighed for at studere funktionen af ​​et specifikt protein i det cellulære miljø ved at vurdere, hvordan proteinekspressionsniveauet påvirker en celles liv, sagde Segatori.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS syntetisk biologi .

NanoDeg accelererer proteolyse - den enzymatiske nedbrydning af proteiner - for at kontrollere niveauerne af målrettede proteiner efter translation.

En funktion udspringer af det enkeltkædede antistof fra kamelider, som kan tilpasses til at målrette specifikke proteiner. Da antistofferne blev opdaget i kameler (og senere hajer), forskere genkendte hurtigt deres unikke egenskaber, inklusive deres lille størrelse, høj opløselighed og evne til at genkende selv mål, der er skjulte eller i mellemtilstande. De er meget mindre end de antistoffer, der findes naturligt i mennesker og de fleste andre organismer, men kan let fremstilles og modificeres i bakterier og andre celler.

Den anden funktion er afhængig af degrons, korte sekvenser i proteiner, der er ansvarlige for at regulere hastigheden af ​​et proteins nedbrydning. Disse kan også tilpasses til at indstille udtømningen af ​​et målprotein til de ønskede niveauer.

Når de kombineres som NanoDegs, de bliver en magtfuld, universel platform til modulering af cellulære proteinniveauer, sagde Segatori.

"I bund og grund, det giver os mulighed for at kontrollere den specifikke mængde proteiner i celler, " sagde hun. "Vi kan skræddersy det til at målrette ethvert protein i en celle, og når først den degron-mærkede nanobody binder sig til den partner, hele komplekset er nedbrudt.

"Fordelen ved dette system er, at det målretter ekspression på proteinniveau, " sagde Segatori. "Typisk, når folk ønsker at modulere mængden af ​​proteiner i celler, de virker på DNA eller RNA – det genetiske – niveau. Men ved at handle på proteinniveau, vi kan målrette mod forskellige ændringer efter regulering, og meget vigtigere, vi har meget mere kontrol over hastigheden og omfanget af udtømning af proteinet."

Som et principbevis, forskerne designet et syntetisk genkredsløb, der udtrykte både grønt fluorescerende protein (GFP), som forskere bruger til at rapportere om cellulære processer, og en NanoDeg, der retter sig mod det. "Vi brugte GFP, fordi det er en almindeligt brugt reporter, og fluorescens er let at måle, " sagde Segatori. "Når nanobody genkender GFP, hele komplekset er taget for nedbrydning."

Det vil også være nyttigt for dem, der ønsker renere information om aktiviteterne af proteiner i celler.

"Sig du designer et genetisk kredsløb, hvor GFP-ekspression aktiveres, når cellen er under stress, som næringssult eller varme, for eksempel, " sagde Segatori. "Når cellen udsættes for stimulus, GFP udtrykkes, og du kan påvise en stigning i cellefluorescens.

"Men når du fjerner stimulus, henfaldet af signalet afspejler ikke nødvendigvis henfaldet af stimulus; det afspejler stabiliteten af ​​GFP-reporteren, " sagde hun. "Det, vi har gjort, er at skabe et genkredsløb, hvor GFP-ekspression aktiveres under stimulus, men når stimulus er slået fra, NanoDeg nedbryder GFP meget hurtigt. Det øger følsomheden og den dynamiske opløsning af et syntetisk genkredsløb."