Namun, sering ada jeda waktu yang lama antara suatu peristiwa seperti mendeteksi molekul dan keluaran yang dihasilkan, karena waktu yang dibutuhkan sel untuk mentranskripsi dan menerjemahkan gen yang diperlukan.
Ahli biologi sintetik MIT kini telah mengembangkan pendekatan alternatif untuk merancang sirkuit semacam itu, yang bergantung secara eksklusif pada interaksi protein-protein yang cepat dan dapat dibalik. Ini berarti bahwa tidak perlu menunggu gen untuk ditranskripsi atau diterjemahkan menjadi protein, sehingga sirkuit dapat diaktifkan lebih cepat — dalam hitungan detik.
“Kami sekarang memiliki metodologi untuk merancang interaksi protein yang terjadi pada skala waktu yang sangat cepat, yang belum dapat dikembangkan oleh siapa pun secara sistematis. Kami sampai pada titik untuk dapat merekayasa fungsi apa pun pada rentang waktu beberapa detik atau kurang,” kata Deepak Mishra, rekan peneliti di Departemen Teknik Biologi MIT dan penulis utama studi baru tersebut.
Semacam ini sirkit dapat berguna untuk membuat sensor atau diagnostik lingkungan yang dapat mengungkapkan keadaan penyakit atau kejadian yang akan segera terjadi seperti serangan jantung, kata para peneliti.
Di dalam sel hidup, interaksi protein-protein merupakan langkah penting dalam banyak jalur pensinyalan, termasuk yang terlibat dalam aktivasi sel imun dan respons terhadap hormon atau sinyal lainnya. Banyak dari interaksi ini melibatkan satu protein yang mengaktifkan atau menonaktifkan yang lain dengan menambahkan atau menghilangkan gugus kimia yang disebut fosfat.
Dalam studi ini, para peneliti menggunakan sel ragi untuk menjadi tuan rumah sirkuit mereka dan menciptakan jaringan 14 protein dari spesies termasuk ragi, bakteri, tumbuhan, dan manusia. Para peneliti memodifikasi protein ini sehingga mereka dapat mengatur satu sama lain dalam jaringan untuk menghasilkan sinyal sebagai respons terhadap peristiwa tertentu.
Jaringan mereka, sirkuit sintetis pertama yang hanya terdiri dari interaksi protein-protein fosforilasi / defosforilasi, dirancang sebagai sakelar sakelar — sirkuit yang dapat dengan cepat dan reversibel beralih di antara dua keadaan stabil, memungkinkannya untuk "mengingat" peristiwa tertentu seperti paparan bahan kimia tertentu. Dalam hal ini, targetnya adalah sorbitol, gula alkohol yang ditemukan di banyak buah.
Setelah sorbitol terdeteksi, sel menyimpan memori paparan, dalam bentuk protein fluoresen yang terlokalisasi di nukleus. Memori ini juga diteruskan ke generasi sel masa depan. Sirkuit juga dapat diatur ulang dengan memaparkannya ke molekul yang berbeda, dalam hal ini, bahan kimia yang disebut isopentenil adenin.
Jaringan ini juga dapat diprogram untuk melakukan fungsi lain sebagai respons terhadap input. Untuk menunjukkan ini, para peneliti juga merancang sirkuit yang mematikan kemampuan sel untuk membelah setelah sorbitol terdeteksi.
Dengan menggunakan susunan besar sel-sel ini, para peneliti dapat membuat sensor ultrasensitif yang merespons konsentrasi molekul target serendah bagian per miliar. Dan karena interaksi protein-protein yang cepat, sinyal dapat dipicu hanya dalam satu detik. Dengan sirkuit sintetis tradisional, diperlukan waktu berjam-jam atau bahkan berhari-hari untuk melihat hasilnya.