新合成电路依靠蛋白质相互作用,而不是转录和翻译

合成生物学提供了工程细胞执行新功能,比如与荧光发光时发现某些化学。通常情况下,这是通过改变细胞基因表达的基因可以通过一个特定的输入触发。

然而,通常有很长的延迟时间之间的事件,如分子检测和结果输出,因为所需的时间比细胞转录和翻译必要的基因。麻省理工学院(MIT)合成生物学家已经开发了一个替代方法来设计这样的电路,完全依赖快速、可逆的蛋白质相互作用。这意味着没有等待基因转录或翻译成蛋白质,所以电路可以打开快得多——在几秒钟内。

“我们现在有一个方法设计蛋白质相互作用发生在非常快速的,没有人能够系统地发展。我们的工程师能够任何函数在几秒钟或更少的时间尺度,”迪帕克Mishra说研究助理在麻省理工学院生物工程系和这项新研究的主要作者。

这种电路可以用于创建环境传感器或诊断能揭示疾病状态或即将到来的事件,如心脏病发作,研究人员说。

罗恩·维斯教授的生物工程和电气工程和计算机科学,是这项研究的资深作者,它似乎在今天科学。作者还包括特里斯坦bpel,前麻省理工学院博士后;邦妮·伯杰,西蒙斯教授数学和计算和生物集团在麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室;布莱恩爱尔兰人,威斯康辛大学的助理教授;和吉姆拉刀,部门的主席宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学好医疗中心。

蛋白质相互作用

活细胞内蛋白质相互作用在许多信号通路是必不可少的步骤,包括那些参与免疫细胞激活和响应激素或其他信号。许多这些交互涉及一种蛋白质激活或另一个名为磷酸盐的添加或删除化学组织才会安静下来。

在这项研究中,研究人员使用酵母细胞主机电路和创建了一个网络14蛋白质的种类包括酵母、细菌、植物和人类。研究者修改这些蛋白质,这样他们可以互相调节网络中产生一个信号以响应特定事件。

他们的网络,第一个合成电路完全由磷酸化/脱磷酸化蛋白质相互作用,被设计为一个拨动开关,电路能够快速、可逆两个稳定状态之间的切换,允许它“记住”等特定事件暴露于某种化学物质。在这种情况下,目标是山梨糖醇、糖醇中发现许多水果。

一旦检测到山梨糖醇,暴露的细胞存储记忆,荧光蛋白在细胞核中局部的形式。这种记忆也传递给未来的细胞一代又一代。电路也可以重置通过暴露在不同的分子,在这种情况下,一种叫做isopentenyl腺嘌呤的化学物质。

这些网络也可以被编程来执行其他功能来响应一个输入。为了说明这一点,研究人员还设计了一个电路,山梨糖醇后关闭细胞分裂的能力。

通过使用大数组的这些细胞,研究人员可以创建超灵敏传感器,对目标分子的浓度低至十亿分之几。因为快速蛋白质-蛋白质之间的关系,可以触发信号在1秒。与传统合成电路,它可能需要几个小时甚至几天才能看到的输出。

”,切换到极快的速度将是非常重要的前进在合成生物学和扩展应用程序的类型,”Weiss说。

复杂网络

切换网络,研究人员设计了在这个研究是更大、更复杂的比大多数合成电路,设计之前。一旦他们建造它,研究人员想知道任何类似的网络可能存在于活细胞。使用一个他们设计的计算模型,他们发现六个自然发生的,复杂的切换网络酵母从未见过的。

“我们不认为寻找那些因为他们不直观。他们不一定最优或优雅,但我们确实发现多个这样的拨动开关行为的例子,”Weiss说。“这是一个新的,engineered-inspired方法发现在生物系统监管网络。”

研究人员希望利用他们的蛋白质电路开发传感器,可以用来检测环境污染物。另一个潜在的应用程序部署定制的哺乳动物细胞内蛋白质网络,可以作为诊断传感器在人体检测异常的激素或血糖水平。从长远来看,维斯设想设计电路可以被编程到人类细胞报告心脏病药物过量或迫在眉睫。

“你可以有一个细胞情况报告,信息电子设备,提醒病人或医生,和化学物质的电子设备也可以水库可以抵消系统冲击,”他说。

参考:伯杰Mishra D, bpel T,爱尔兰人B, B,拉刀J,维斯r .工程protein-phosphorylation切换网络影响内源性网络发现。科学。2021,373 (6550):eaav0780。doi:10.1126 / science.aav0780。

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