Tuttavia, c'è spesso un lungo lasso di tempo tra un evento come il rilevamento di una molecola e l'output risultante, a causa del tempo necessario alle cellule per trascrivere e tradurre i geni necessari.
I biologi sintetici del MIT hanno ora sviluppato un approccio alternativo alla progettazione di tali circuiti, che si basa esclusivamente su interazioni proteina-proteina veloci e reversibili. Ciò significa che non è necessario attendere che i geni vengano trascritti o tradotti in proteine, quindi i circuiti possono essere attivati molto più velocemente, in pochi secondi.
“Ora disponiamo di una metodologia per la progettazione di interazioni proteiche che si verificano in tempi molto rapidi, che nessuno è stato in grado di sviluppare sistematicamente. Stiamo arrivando al punto di essere in grado di progettare qualsiasi funzione in tempi di pochi secondi o meno", afferma Deepak Mishra, ricercatore associato presso il Dipartimento di ingegneria biologica del MIT e autore principale del nuovo studio.
Questo tipo di circuito potrebbe essere utile per creare sensori ambientali o diagnostici che potrebbero rivelare stati di malattia o eventi imminenti come un infarto, dicono i ricercatori.
All'interno delle cellule viventi, le interazioni proteina-proteina sono passaggi essenziali in molte vie di segnalazione, comprese quelle coinvolte nell'attivazione delle cellule immunitarie e nelle risposte agli ormoni o ad altri segnali. Molte di queste interazioni coinvolgono una proteina che ne attiva o disattiva un'altra aggiungendo o rimuovendo gruppi chimici chiamati fosfati.
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato cellule di lievito per ospitare il loro circuito e hanno creato una rete di 14 proteine di specie tra cui lieviti, batteri, piante e esseri umani. I ricercatori hanno modificato queste proteine in modo che potessero regolarsi a vicenda nella rete per produrre un segnale in risposta a un particolare evento.
La loro rete, il primo circuito sintetico costituito esclusivamente da interazioni proteina-proteina di fosforilazione / defosforilazione, è progettata come un interruttore a levetta, un circuito che può passare rapidamente e reversibilmente tra due stati stabili, consentendogli di "ricordare" un evento specifico come esposizione a una determinata sostanza chimica. In questo caso, il bersaglio è il sorbitolo, un alcol zuccherino presente in molti frutti.
Una volta rilevato il sorbitolo, la cellula immagazzina un ricordo dell'esposizione, sotto forma di una proteina fluorescente localizzata nel nucleo. Questa memoria viene trasmessa anche alle future generazioni di cellule. Il circuito può anche essere ripristinato esponendolo a una molecola diversa, in questo caso una sostanza chimica chiamata isopentenil adenina.
Queste reti possono anche essere programmate per eseguire altre funzioni in risposta a un input. Per dimostrarlo, i ricercatori hanno anche progettato un circuito che interrompe la capacità delle cellule di dividersi dopo il rilevamento del sorbitolo.
Utilizzando grandi array di queste cellule, i ricercatori possono creare sensori ultrasensibili che rispondono a concentrazioni della molecola bersaglio a partire da parti per miliardo. E grazie alle veloci interazioni proteina-proteina, il segnale può essere attivato in appena un secondo. Con i tradizionali circuiti sintetici, potrebbero volerci ore o addirittura giorni per vedere l'uscita.