Ny protein nano-switch-metode lover hurtig og pålidelig udvikling af diagnostiske tests

QUT-forskere har udviklet en ny tilgang til at designe molekylære ON-OFF-switche baseret på proteiner, som kan bruges i en lang række bioteknologiske, biomedicinske og biotekniske applikationer.

Forskerholdet viste, at denne nye tilgang giver dem mulighed for at designe og bygge hurtigere og mere præcise diagnostiske tests til påvisning af sygdomme, overvågning af vandkvalitet og påvisning af miljøforurenende stoffer.

Professor Kirill Alexandrov, fra QUT School of Biology and Environmental Science, ledende videnskabsmand på CSIRO-QUT Synthetic Biology Alliance og en forsker ved ARC Center of Excellence in Synthetic Biology, sagde, at den nye teknik offentliggjort i Nature Nanotechnology demonstreret, at proteinomskiftere kunne konstrueres på en forudsigelig måde.

Professor Alexandrov sagde, at aktuelt tilgængelige diagnostiske tests med 'point of care', som gav øjeblikkelige resultater, såsom blodsukker, graviditet og COVID-testsæt, brugte proteinsensorsystemer til at påvise tilstedeværelsen af ​​sukker, graviditetshormoner og COVID-proteiner.

"Disse repræsenterer dog kun en lille brøkdel af, hvad der er behov for i patientfokuseret sundhedsmodel," sagde professor Alexandrov.

"Men at udvikle nye sensorsystemer er en udfordrende og tidskrævende prøve-og-fejl-proces."

"Den nye 'protein nano-switch'-metode kan massivt accelerere udviklingen af ​​lignende diagnostik ved at reducere tiden og øge succesraten. Den bruger proteiner, der er modificeret til at opføre sig som ON/OFF-kontakter som svar på specifikke mål."

"Fordelen ved vores tilgang er, at systemet er modulært, svarende til at bygge med legoklodser, så du nemt kan udskifte dele for at målrette mod noget andet - for eksempel et andet lægemiddel eller en medicinsk biomarkør."

Professor Alexandrov sagde, at metoden gav mulighed for at bygge mange forskellige diagnostiske og analytiske tests med en bred vifte af mulige anvendelser, herunder diagnostik inden for menneskers og dyrs sundhed, testsæt for vandforurening og påvisning af sjældne jordmetaller i prøver for at styre minedriften.

Det tværfaglige forskerhold omfattede forskere fra QUT og ARC Center of Excellence in Synthetic Biology, bestående af ledende forsker professor Kirill Alexandrov, Dr. Zhong Guo, Cagla Ergun Ayva, Patricia Walden og adjungeret professor Claudia Vickers.

QUT-teamet samarbejdede med førende elektrokemikere Evgeny Katz og Oleh Smutok fra Clarkson University i New York og kemisk patolog Dr. Jacobus Ungerer fra Queensland Health.

For at demonstrere teknologien fokuserede holdet på et kræftkemoterapilægemiddel, der er giftigt og kræver konstant måling for at sikre patientvelfærd.

"For lidt af stoffet vil ikke dræbe kræften, men for meget kan dræbe patienten," sagde professor Alexandrov.

Sensoren, som teamet har designet til stoffet, bruger en farveændring til at identificere og kvantificere stoffet.

Professor Alexandrov sagde, at næste skridt var, at sensoren skulle testes i Queensland Health-laboratorier med henblik på godkendelse til brug i kliniske omgivelser.

"Det er virkelig spændende, fordi det er første gang, at en kunstigt designet proteinbiosensor faktisk kan være egnet til en diagnostisk anvendelse i det virkelige liv," sagde professor Alexandrov.

Dr. Ungerer sagde, at den proteinteknologiske teknologi udviklet af forskerholdet gav et nyt middel til at lave laboratorietests.

"Dette har potentialet til at forbedre og udvide laboratorietestning, hvilket vil resultere i væsentlige sundhedsmæssige og økonomiske fordele," sagde Dr. Ungerer.

Dr. Guo sagde, at disse fremskridt blev muliggjort af et internationalt og tværfagligt team og fremragende teamwork.

Professor Alexandrov sagde, at næste skridt var at tage denne tilgang og standardisere og skalere den, for derefter at begynde at bygge mere sofistikerede undersystemer. Han sagde, at der er to fremtidige retninger for arbejdet.

"Den ene er at udvikle computermodeller, der giver os mulighed for at designe og bygge switchene endnu hurtigere og mere præcist," sagde han.

"Den anden er at demonstrere teknologiens omfang og potentiale ved at bygge mange switches til forskellige diagnostiske applikationer."

Professor Alexandrov sagde, at holdet i øjeblikket modificerede eksisterende proteiner, men i fremtiden kunne de bruge de samme principper til at udvikle komponenter, der ikke eksisterede og ville blive designet fra bunden.

"Den nye teknik giver videnskabsmænd hidtil uset kontrol over konstruktionen af ​​proteinbaserede sensorsystemer," sagde han.

Artiklen 'Development of epistatic YES and protein logic gates and their assembly into signaling cascades' er udgivet i Nature Nanotechnology .

Flere oplysninger: Guo, Z. et al. Udvikling af epistatiske JA- og OG-proteinlogiske porte og deres samling til signalkaskader, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01450-y. www.nature.com/articles/s41565-023-01450-y

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Queensland University of Technology