Switch-in-a-celle elektrificerer livet

Forskere ved Rice University har udviklet syntetiske proteinkontakter til at kontrollere elektronstrømmen.

Proof-of-concept, metalholdige proteiner fremstillet i rislabbet af syntetisk biolog Joff Silberg udtrykkes i cellerne ved indførelsen af ​​et kemikalie og aktiveres funktionelt af et andet kemikalie. Hvis proteinerne er blevet placeret i cellen, de kan simpelthen tændes og slukkes.

"Dette er ikke en metafor for en switch, det er en bogstavelig elektrisk switch bygget af et protein, "Sagde Silberg.

Proteinerne kunne lette næste generations bioelektronik, herunder komplette biologiske kredsløb i celler, der efterligner deres elektroniske modstykker. De mulige anvendelser omfatter levende sensorer, elektronisk kontrollerede metaboliske veje til kemisk syntese og aktive piller, der fornemmer deres omgivelser og kun frigiver medicin, når det er nødvendigt.

Værket vises i Naturens kemiske biologi . "Biologi er virkelig god til at fornemme molekyler, sagde Silberg, professor i biovidenskab og bioingeniør. "Det er en fantastisk ting. Tænk på, hvor kompleks cellen er, og hvordan proteiner udvikler sig, der kan reagere på en enkelt prompt i et hav af information. Vi ønsker at udnytte den udsøgte evne til at bygge mere detaljerede biomolekyler og bruge disse til at udvikle nyttige syntetiske biologiteknologier. "

Rice -teamet drager fordel af disse medfødte evner. "Naturlige proteiner, der bevæger elektroner, fungerer mere eller mindre som ledninger, der altid er der, "sagde Systems, Syntetisk, og Fysisk Biologi kandidatstuderende og hovedforfatter Josh Atkinson. "Hvis vi kan tænde og slukke disse veje, vi kan få celler til at fungere mere effektivt. "

Ris metalloproteinkontakter - såkaldt deres jernindhold - er hurtige, Sagde Silberg. Naturen styrer typisk elektronstrømmen ved at bruge genetiske mekanismer til at styre produktionen af ​​proteinets "ledninger".

"Det hele er transskriptionelt, "sagde han." Selv i en hurtigt voksende E coli bakterie, det tager mange minutter. Derimod, proteinkontakter fungerer på en tidsskala på sekunder. "

For at foretage omskifteren - som de bruger i en syntetisk elektronoverførselsvej - havde forskerne brug for et stabilt protein, der pålideligt kunne spaltes langs dets peptidskelet for at muliggøre indsættelse af proteinfragmenter, der fuldender eller bryder kredsløbet. De baserede kontakten på ferredoxin, et almindeligt jern-svovlprotein, der formidler elektronoverførsel i alle livets områder.

Atkinson byggede switches indlejret i E coli der kan tændes ved tilstedeværelse (eller slukning i fravær) af 4-hydroxytamoxifen, en østrogenreceptormodulator, der bruges til at bekæmpe brystkræft og andre kræftformer, eller ved bisphenol A (BPA), et syntetisk kemikalie, der bruges i plast.

Deres E coli bakterie er en mutant stamme, der er programmeret til kun at vokse i et sulfatmedium, når alle komponenterne i ferredoxin elektrontransportkæden - inklusive elektrondonor og acceptorproteiner - udtrykkes. Den vej, bakterierne kunne kun vokse, hvis kontakterne tænder og overfører elektroner som planlagt.

Silberg sagde, at opdagelsen skulle føre til specialdesignede switche til mange applikationer, herunder kontakt med eksterne elektroniske enheder. "Det er derfor, vi har været så gung-ho om denne idé om bioelektronik, et helt felt, der vokser frem, da syntetisk biologi får mere kontrol over designet, "sagde han." Når du kan standardisere dette, der er alle slags ting, vi kan bygge med celler. "

Det kan omfatte smarte piller, der kun frigiver medicin efter behov, eller tarmbiomedetektorer, der rapporterer om forhold. Eller måske er elektriske kredsløb helt inde i celler.

"Vi kan allerede kortlægge en masse af, hvad elektriske ingeniører gør med kondensatorer og modstande til metabolisme, men indtil nu, der har ikke været afbrydere, "Sagde Silberg.

Han foreslog, at flere switches også kunne gøre en celle til en biologisk processor. "Så kunne vi se digital parallel behandling i cellen, "sagde han." Det ændrer den måde, vi ser på biologi på. "