Nye proteinnanopartikler gør det muligt for forskere at spore celler og interaktioner i dem

MIT-ingeniører har designet magnetiske proteinnanopartikler, der kan bruges til at spore celler eller til at overvåge interaktioner i celler. Partiklerne, beskrevet i dag i Naturkommunikation , er en forbedret version af en naturligt forekommende, svagt magnetisk protein kaldet ferritin.

"Ferritin, som er så tæt som biologi har givet os til en naturligt magnetisk protein nanopartikel, er virkelig ikke så magnetisk. Det er det, denne afhandling omhandler, " siger Alan Jasanoff, en MIT-professor i biologisk ingeniørvidenskab og avisens seniorforfatter. "Vi brugte proteinteknologiens værktøjer til at forsøge at øge dette proteins magnetiske egenskaber."

De nye "hypermagnetiske" proteinnanopartikler kan produceres i celler, gør det muligt for cellerne at blive afbildet eller sorteret ved hjælp af magnetiske teknikker. Dette eliminerer behovet for at mærke celler med syntetiske partikler og gør det muligt for partiklerne at mærke andre molekyler inde i celler.

Papirets hovedforfatter er tidligere MIT -kandidatstuderende Yuri Matsumoto. Andre forfattere er kandidatstuderende Ritchie Chen og Polina Anikeeva, en adjunkt i materialevidenskab og teknik.

Magnetisk træk

Tidligere forskning har givet syntetiske magnetiske partikler til billeddannelse eller sporing af celler, men det kan være svært at levere disse partikler ind i målcellerne.

I den nye undersøgelse, Jasanoff og kolleger satte sig for at skabe magnetiske partikler, der er genetisk kodet. Med denne tilgang, forskerne leverer et gen for et magnetisk protein ind i målcellerne, får dem til at begynde at producere proteinet på egen hånd.

"I stedet for faktisk at lave en nanopartikel i laboratoriet og vedhæfte den til celler eller injicere den i celler, alt vi skal gøre er at introducere et gen, der koder for dette protein, " siger Jasanoff, som også er associeret medlem af MIT's McGovern Institute for Brain Research.

Som udgangspunkt forskerne brugte ferritin, som bærer en forsyning af jernatomer, som hver celle har brug for som komponenter i metaboliske enzymer. I håb om at skabe en mere magnetisk version af ferritin, forskerne skabte omkring 10 millioner varianter og testede dem i gærceller.

Efter gentagne screeningsrunder, forskerne brugte en af ​​de mest lovende kandidater til at skabe en magnetisk sensor bestående af forbedret ferritin modificeret med et proteinmærke, der binder til et andet protein kaldet streptavidin. Dette gjorde det muligt for dem at detektere, om streptavidin var til stede i gærceller; imidlertid, denne tilgang kunne også skræddersyes til at målrette andre interaktioner.

Det muterede protein ser ud til med succes at overvinde en af ​​de vigtigste mangler ved naturlig ferritin, hvilket er, at det er svært at fylde med jern, siger Alan Koretsky, en seniorforsker ved National Institute of Neurological Disorders and Stroke.

"At være i stand til at lave flere magnetiske indikatorer til MRI ville være fantastisk, og dette er et vigtigt skridt i retning af at gøre denne type indikatorer mere robust, " siger Koretsky, som ikke var en del af forskerholdet.

Føler cellesignaler

Fordi de konstruerede ferritiner er genetisk kodet, de kan fremstilles i celler, der er programmeret til at få dem til kun at reagere under visse omstændigheder, som når cellen modtager en form for eksternt signal, når den deler sig, eller når den differentierer til en anden type celle. Forskere kunne spore denne aktivitet ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), potentielt giver dem mulighed for at observere kommunikation mellem neuroner, aktivering af immunceller, eller stamcelledifferentiering, blandt andre fænomener.

Sådanne sensorer kan også bruges til at overvåge effektiviteten af ​​stamcelleterapier, siger Jasanoff.

"Efterhånden som stamcelleterapier udvikles, det bliver nødvendigt at have ikke-invasive værktøjer, der gør dig i stand til at måle dem, "siger han. Uden denne form for overvågning, det ville være svært at afgøre, hvilken effekt behandlingen har, eller hvorfor det måske ikke virker.

Forskerne arbejder nu på at tilpasse de magnetiske sensorer til at fungere i pattedyrsceller. De forsøger også at gøre det konstruerede ferritin endnu stærkere magnetisk.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.