Syntetiserer kemisk-sansende celler fra bunden

At bage en kage fra bunden er en opgave, der anses for svær for mange. Konstruktion af et kunstigt cellelignende system fra bunden, godt det er en anden historie.

"Syntetisering af celler fra bunden er af fundamental betydning for at forstå, hvad liv er, " sagde prof. Yohei Yokobayashi, leder af Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit.

Forskere over hele verden begynder at skabe simple kunstige celler, der udfører nogle grundlæggende biologiske funktioner, og som indeholder små DNA- eller RNA-strenge. Imidlertid, at få disse udsnit af genetisk materiale til at udtrykke deres kodede proteiner som svar på præcise signaler har været en udfordring.

Nu, Yokobayashi og andre forskere fra OIST og Osaka University har fundet en måde at få kunstige celler til at interagere med en lang række kemikalier. De udviklede en riboswitch - en genkontakt, der registrerer kemiske signaler - som kan reagere på histamin, en kemisk forbindelse, der naturligt produceres i kroppen. I nærværelse af dette kemikalie, riboswitchen tænder et gen inde i de kunstige celler. Sådan et system, kunne en dag bruges som en ny måde at administrere medicin på, sagde Yokobayashi, en tilsvarende forfatter på en nylig undersøgelse i Journal of the American Chemical Society , som beskriver tilgangen.

"Vi ønsker, at cellerne frigiver medicin baseret på deres påvisning af histamin, " sagde Yokobayashi. "Det ultimative mål er at få celler i din tarm til at bruge histamin som et signal til at frigive den passende mængde lægemiddel til at behandle en tilstand."

Signalvalg

Forskerne valgte histamin som det kemiske signal til deres kunstige celler, fordi det er en vigtig biologisk forbindelse i immunsystemet. Hvis du føler en kløe, histamin er den sandsynlige synder. Det frigives også af kroppen under allergiske reaktioner og hjælper med at forsvare sig mod fremmede patogener ved at anspore betændelse.

For at påvise histamin, de skabte et molekyle kaldet en RNA-aptamer. RNA-aptamerer er små segmenter af RNA-byggesten, der kan konstrueres til at fungere som bindemidler til specifikke målmolekyler. Det tog Yokobayashi og hans kolleger, tidligere OIST postdocs Dr. Mohammed Dwidar og Dr. Shungo Kobori og OIST Ph.D. studerende Charles Whitaker, to år for at skabe en aptamer, der målrettede histamin.

Næste, holdet udviklede en såkaldt riboswitch, der ville gøre denne signaldetektering til handling – specifikt, at oversætte et gen til at producere et protein. Normalt, celler producerer proteiner, når skabeloner lavet af messenger RNA (mRNA) binder til cellulære strukturer kaldet ribosomer. Her, forskerne brugte histaminaptameren til at designe en riboswitch, der ændrer formen af ​​mRNA'et ved binding af histamin. I mangel af histamin, formen af ​​mRNA forhindrer ribosomet i at binde, og der produceres ikke noget protein. Histamin-bundet mRNA, imidlertid, tillader ribosom at binde og syntetisere proteiner.

"Vi demonstrerede, at riboswitches kan bruges til at få kunstige celler til at reagere på ønskede kemiske forbindelser og signaler, " sagde Yokobayashi.

Det næste skridt var resultatet af et samarbejde med seniorforfatter prof. Tomoaki Matsuura og kandidatstuderende Yusuke Seike fra Institut for Bioteknologi ved Osaka Universitet. Matsuura og Seike sætter den cellefri riboswitch skabt af Yokobayashis team i lipidvesikler for at skabe kunstige celler. Osaka-holdet knyttede riboswitchen til et gen, der udtrykker et fluorescerende protein, så når riboswitchen blev aktiveret af histamin, systemet glødede. Derefter, de kontrollerede et andet protein ved hjælp af riboswitchen - en, der laver porer i nanometerskala på cellemembranen. Da aptameren fornemmede histamin, en fluorescerende forbindelse indkapslet i vesiklerne blev frigivet ud af cellerne gennem porerne, modellering af, hvordan systemet ville frigive et lægemiddel.

Forskerne skabte også en "kill switch", der instruerer cellen til at selvdestruere - hvilket skaber en kontrol for teknologien.

Teknologien er i de tidlige udviklingsstadier. Næste skridt er at gøre de kunstige celler mere følsomme over for en mindre mængde histamin. Medicinsk brug kan være i en fjern fremtid, men potentialet eksisterer, siger forskerne.