Diseñan el primer circuito sintético que consta completamente de interacciones proteína-proteína reversibles

La biología sintética ofrece una forma de diseñar células para que realicen funciones novedosas, como brillar con luz fluorescente cuando detectan una determinada sustancia química.

Por lo general, esto se hace alterando las células para que expresen genes que pueden ser activados por una determinada entrada.

Sin embargo, a menudo hay un retraso prolongado entre un evento, como la detección de una molécula, y la salida resultante, debido al tiempo necesario para que las células transcriban y traduzcan los genes necesarios.

Biólogos sintéticos del MIT han desarrollado ahora un enfoque alternativo para diseñar dichos circuitos, que se basa exclusivamente en interacciones proteína-proteína rápidas y reversibles.

Esto significa que no hay que esperar a que los genes se transcriban o traduzcan en proteínas, por lo que los circuitos se pueden activar mucho más rápido, en segundos.

“Ahora tenemos una metodología para diseñar interacciones de proteínas que ocurren en una escala de tiempo muy rápida, que nadie ha podido desarrollar de manera sistemática.

Estamos llegando al punto de poder diseñar cualquier función en escalas de tiempo de unos pocos segundos o menos”, dice Deepak Mishra, investigador asociado en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT y autor principal del nuevo estudio.

Este tipo de circuito podría ser útil para crear sensores ambientales o diagnósticos que podrían revelar estados de enfermedad o eventos inminentes como un ataque cardíaco, dicen los investigadores.

Ron Weiss, profesor de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica e informática, es el autor principal del estudio, que aparece en Science.

Dentro de las células vivas, las interacciones proteína-proteína son pasos esenciales en muchas vías de señalización, incluidas las involucradas en la activación de las células inmunes y las respuestas a hormonas u otras señales.

Muchas de estas interacciones involucran a una proteína que activa o desactiva a otra agregando o eliminando grupos químicos llamados fosfatos.

En este estudio, los investigadores utilizaron células de levadura para albergar su circuito y crearon una red de 14 proteínas de especies que incluyen levaduras, bacterias, plantas y humanos.

Los investigadores modificaron estas proteínas para que pudieran regularse entre sí en la red para producir una señal en respuesta a un evento en particular.

Su red, el primer circuito sintético que consta únicamente de interacciones proteína-proteína de fosforilación/desfosforilación, está diseñada como un interruptor de palanca, un circuito que puede cambiar rápida y reversiblemente entre dos estados estables, lo que le permite “recordar” un evento específico como exposición a una determinada sustancia química.

En este caso, el objetivo es el sorbitol, un alcohol de azúcar que se encuentra en muchas frutas.

Una vez que se detecta el sorbitol, la célula almacena un recuerdo de la exposición, en forma de una proteína fluorescente localizada en el núcleo.

Esta memoria también se transmite a las futuras generaciones de células.

El circuito también se puede restablecer exponiéndolo a una molécula diferente, en este caso, una sustancia química llamada isopentenil adenina.

Estas redes también se pueden programar para realizar otras funciones en respuesta a una entrada.

Para demostrar esto, los investigadores también diseñaron un circuito que apaga la capacidad de las células para dividirse después de que se detecta el sorbitol.

Mediante el uso de grandes conjuntos de estas células, los investigadores pueden crear sensores ultrasensibles que responden a concentraciones de la molécula objetivo tan bajas como partes por mil millones.

Y debido a las rápidas interacciones proteína-proteína, la señal se puede activar en tan solo un segundo.

Con los circuitos sintéticos tradicionales, podría llevar horas o incluso días ver la salida.

“Ese cambio a velocidades extremadamente rápidas será realmente importante para avanzar en biología sintética y expandir el tipo de aplicaciones que son posibles”, dice Weiss.

La red de palanca que los investigadores diseñaron en este estudio es más grande y más compleja que la mayoría de los circuitos sintéticos que se han diseñado previamente.

Una vez que la construyeron, los investigadores se preguntaron si podrían existir redes similares en las células vivas.

Usando un modelo computacional que diseñaron, descubrieron seis redes de conmutación complicadas y naturales en levadura que nunca antes se habían visto.

“No pensaríamos en buscarlas porque no son intuitivas.

No son necesariamente óptimos o elegantes, pero encontramos múltiples ejemplos de tales comportamientos de interruptores de palanca ”, dice Weiss.

“Este es un nuevo enfoque inspirado en la ingeniería para descubrir redes reguladoras en sistemas biológicos“.

Los investigadores ahora esperan usar sus circuitos basados ​​en proteínas para desarrollar sensores que puedan usarse para detectar contaminantes ambientales.

Otra aplicación potencial es la implementación de redes de proteínas personalizadas dentro de células de mamíferos que podrían actuar como sensores de diagnóstico dentro del cuerpo humano para detectar niveles anormales de hormonas o azúcar en sangre.

A más largo plazo, Weiss prevé el diseño de circuitos que podrían programarse en células humanas para informar sobredosis de drogas o un ataque cardíaco inminente.

“Podría tener una situación en la que la celda transmita esa información a un dispositivo electrónico que alertaría al paciente o al médico, y el dispositivo electrónico también podría tener depósitos de sustancias químicas que podrían contrarrestar una descarga en el sistema”, dice.

Fuente: Science