Computer i nanoskala styrer proteinets funktion, påvirker celleadfærd

Skabelsen af ​​computere i nanoskala til brug i præcisionssundhedspleje har længe været en drøm for mange forskere og sundhedsudbydere. Nu har forskere ved Penn State for første gang produceret et nanocomputermiddel, der kan kontrollere funktionen af ​​et bestemt protein, der er involveret i cellebevægelser og kræftmetastaser. Forskningen baner vejen for konstruktion af komplekse nanoskala-computere til forebyggelse og behandling af kræft og andre sygdomme.

Nikolay Dokholyan, G. Thomas Passananti-professor, Penn State College of Medicine, og hans kolleger – inklusive Yashavantha Vishweshwaraiah, postdoc i farmakologi, Penn State – skabte en transistorlignende 'logisk port', som er en form for beregningsoperation, hvor flere indgange styrer en udgang.

"Vores logiske port er kun begyndelsen på, hvad man kan kalde cellulær computing," sagde han, "men det er en vigtig milepæl, fordi den demonstrerer evnen til at indlejre betingede operationer i et protein og kontrollere dets funktion," sagde Dokholyan. "Det vil giver os mulighed for at få en dybere forståelse af menneskets biologi og sygdom og introducerer muligheder for udvikling af præcisionsterapi."

Holdets logiske gate bestod af to sensordomæner designet til at reagere på to input - lys og stoffet rapamycin. Holdet målrettede protein focal adhesion kinase (FAK), fordi det er involveret i celleadhæsion og bevægelse, som er de første trin i udviklingen af ​​metastatisk cancer.

"Først introducerede vi et rapamycinfølsomt domæne, kaldet uniRapr, som laboratoriet tidligere havde designet og undersøgt, i genet, der koder for FAK," sagde Vishweshwaraiah. "Dernæst introducerede vi domænet, LOV2, som er følsomt over for lys. Da vi optimerede begge domæner, kombinerede vi dem til et endeligt logic-gate design."

Holdet indsatte det modificerede gen i HeLa-kræftceller og observerede ved hjælp af konfokal mikroskopi cellerne in vitro. De undersøgte virkningerne af hver af inputs separat, såvel som den kombinerede effekt af inputs, på cellernes adfærd.

De opdagede, at de ikke kun hurtigt kunne aktivere FAK ved hjælp af lys og rapamycin, men også at denne aktivering resulterede i, at cellerne undergik interne ændringer, der forbedrede deres klæbeevne, hvilket i sidste ende mindskede deres motilitet.

Deres resultater offentliggjort i dag (16. november) i tidsskriftet Nature Communications .

"Vi viser for første gang, at vi kan bygge et fungerende nanocomputermiddel i levende celler, der kan kontrollere celleadfærd," sagde Vishweshwaraiah. "Vi har også opdaget nogle interessante træk ved FAK-proteinet, såsom de ændringer, det udløser i celler, når det aktiveres."

Dokholyan bemærkede, at holdet håber på til sidst at teste disse nanocomputermidler in vivo i levende organismer.

Andre Penn State forfattere på papiret omfatter Jiaxing Chen, kandidatstuderende; Venkat R. Chirasani, postdoc; og Erdem D. Tabdanov, adjunkt i farmakologi. + Udforsk yderligere

Forvandling af celler til computere med proteinlogiske porte