Zwischen einem Ereignis wie dem Nachweis eines Moleküls und der resultierenden Ausgabe liegt jedoch oft eine lange Verzögerungszeit, da die Zellen die notwendigen Gene transkribieren und translatieren müssen.
Synthetische Biologen des MIT haben nun einen alternativen Ansatz zum Design solcher Schaltkreise entwickelt, der ausschließlich auf schnellen, reversiblen Protein-Protein-Wechselwirkungen beruht. Dies bedeutet, dass keine Wartezeiten auf die Transkription oder Übersetzung von Genen in Proteine gewartet werden müssen, sodass Schaltkreise viel schneller aktiviert werden können – innerhalb von Sekunden.
„Wir haben jetzt eine Methodik für das Design von Proteininteraktionen, die in einem sehr schnellen Zeitrahmen stattfinden, die niemand systematisch entwickeln konnte. Wir kommen an den Punkt, jede Funktion in Zeiträumen von wenigen Sekunden oder weniger zu entwickeln“, sagt Deepak Mishra, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Biological Engineering des MIT und Hauptautor der neuen Studie.
Diese Art von Schaltung könnten nützlich sein, um Umweltsensoren oder Diagnosen zu entwickeln, die Krankheitszustände oder bevorstehende Ereignisse wie einen Herzinfarkt aufdecken könnten, sagen die Forscher.
In lebenden Zellen sind Protein-Protein-Wechselwirkungen wesentliche Schritte in vielen Signalwegen, einschließlich derjenigen, die an der Aktivierung von Immunzellen und Reaktionen auf Hormone oder andere Signale beteiligt sind. Viele dieser Wechselwirkungen beinhalten die Aktivierung oder Deaktivierung eines anderen Proteins durch Hinzufügen oder Entfernen chemischer Gruppen, die als Phosphate bezeichnet werden.
In dieser Studie verwendeten die Forscher Hefezellen, um ihren Kreislauf zu beherbergen, und schufen ein Netzwerk aus 14 Proteinen aus Arten wie Hefe, Bakterien, Pflanzen und Menschen. Die Forscher modifizierten diese Proteine, damit sie sich im Netzwerk gegenseitig regulieren konnten, um als Reaktion auf ein bestimmtes Ereignis ein Signal abzugeben.
Ihr Netzwerk, der erste synthetische Schaltkreis, der ausschließlich aus Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungs-Protein-Protein-Wechselwirkungen besteht, ist als Kippschalter konzipiert – ein Schaltkreis, der schnell und reversibel zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln kann und es ihm ermöglicht, sich an ein bestimmtes Ereignis zu „erinnern“, wie z Exposition gegenüber einer bestimmten Chemikalie. In diesem Fall ist das Ziel Sorbit, ein Zuckeralkohol, der in vielen Früchten vorkommt.
Sobald Sorbitol nachgewiesen wird, speichert die Zelle eine Erinnerung an die Exposition in Form eines fluoreszierenden Proteins, das im Zellkern lokalisiert ist. Diese Erinnerung wird auch an zukünftige Zellgenerationen weitergegeben. Der Kreislauf kann auch zurückgesetzt werden, indem man ihn einem anderen Molekül aussetzt, in diesem Fall einer Chemikalie namens Isopentenyladenin.
Diese Netzwerke können auch so programmiert werden, dass sie als Reaktion auf eine Eingabe andere Funktionen ausführen. Um dies zu demonstrieren, entwickelten die Forscher auch einen Schaltkreis, der die Teilungsfähigkeit der Zellen nach dem Nachweis von Sorbit unterbindet.
Durch die Verwendung großer Arrays dieser Zellen können die Forscher ultraempfindliche Sensoren entwickeln, die auf Konzentrationen des Zielmoleküls von nur Teilen pro Milliarde reagieren. Und aufgrund der schnellen Protein-Protein-Interaktionen kann das Signal in weniger als einer Sekunde ausgelöst werden. Bei herkömmlichen synthetischen Schaltungen kann es Stunden oder sogar Tage dauern, bis die Ausgabe angezeigt wird.