Cependant, il y a souvent un long décalage entre un événement tel que la détection d'une molécule et la sortie résultante, en raison du temps nécessaire aux cellules pour transcrire et traduire les gènes nécessaires.
Les biologistes synthétiques du MIT ont maintenant développé une approche alternative pour concevoir de tels circuits, qui repose exclusivement sur des interactions protéine-protéine rapides et réversibles. Cela signifie qu'il n'y a pas d'attente pour que les gènes soient transcrits ou traduits en protéines, de sorte que les circuits peuvent être activés beaucoup plus rapidement, en quelques secondes.
« Nous avons maintenant une méthodologie pour concevoir des interactions protéiques qui se produisent à une échelle de temps très rapide, que personne n'a été en mesure de développer systématiquement. Nous arrivons au point de pouvoir concevoir n'importe quelle fonction à des échelles de temps de quelques secondes ou moins », explique Deepak Mishra, chercheur associé au département de génie biologique du MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Ce genre de circuit pourrait être utile pour créer des capteurs environnementaux ou des diagnostics qui pourraient révéler des états pathologiques ou des événements imminents tels qu'une crise cardiaque, selon les chercheurs.
À l'intérieur des cellules vivantes, les interactions protéine-protéine sont des étapes essentielles dans de nombreuses voies de signalisation, y compris celles impliquées dans l'activation des cellules immunitaires et les réponses aux hormones ou à d'autres signaux. Beaucoup de ces interactions impliquent l'activation ou la désactivation d'une protéine par l'ajout ou la suppression de groupes chimiques appelés phosphates.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des cellules de levure pour héberger leur circuit et ont créé un réseau de 14 protéines provenant d'espèces comprenant des levures, des bactéries, des plantes et des humains. Les chercheurs ont modifié ces protéines afin qu'elles puissent se réguler mutuellement dans le réseau pour produire un signal en réponse à un événement particulier.
Leur réseau, le premier circuit synthétique composé uniquement d'interactions protéine-protéine de phosphorylation / déphosphorylation, est conçu comme un interrupteur à bascule - un circuit qui peut basculer rapidement et de manière réversible entre deux états stables, lui permettant de "se souvenir" d'un événement spécifique tel que exposition à un certain produit chimique. Dans ce cas, la cible est le sorbitol, un alcool de sucre présent dans de nombreux fruits.
Une fois le sorbitol détecté, la cellule stocke une mémoire de l'exposition, sous la forme d'une protéine fluorescente localisée dans le noyau. Cette mémoire est également transmise aux futures générations cellulaires. Le circuit peut également être réinitialisé en l'exposant à une molécule différente, dans ce cas, un produit chimique appelé isopentényl adénine.
Ces réseaux peuvent également être programmés pour exécuter d'autres fonctions en réponse à une entrée. Pour le démontrer, les chercheurs ont également conçu un circuit qui arrête la capacité des cellules à se diviser après la détection du sorbitol.
En utilisant de grands réseaux de ces cellules, les chercheurs peuvent créer des capteurs ultrasensibles qui répondent à des concentrations de la molécule cible aussi faibles que des parties par milliard. Et en raison des interactions protéine-protéine rapides, le signal peut être déclenché en aussi peu qu'une seconde. Avec les circuits synthétiques traditionnels, cela peut prendre des heures voire des jours pour voir la sortie.