Er is echter vaak een lange vertragingstijd tussen een gebeurtenis zoals het detecteren van een molecuul en de resulterende output, vanwege de tijd die cellen nodig hebben om de noodzakelijke genen te transcriberen en te vertalen.
MIT-synthetische biologen hebben nu een alternatieve benadering ontwikkeld voor het ontwerpen van dergelijke circuits, die uitsluitend afhankelijk is van snelle, omkeerbare eiwit-eiwit-interacties. Dit betekent dat er niet gewacht hoeft te worden tot genen worden getranscribeerd of vertaald in eiwitten, dus circuits kunnen veel sneller worden ingeschakeld - binnen enkele seconden.
"We hebben nu een methodologie voor het ontwerpen van eiwitinteracties die plaatsvinden op een zeer snelle tijdschaal, die niemand systematisch heeft kunnen ontwikkelen. We komen op het punt dat we elke functie kunnen ontwerpen met een tijdschaal van een paar seconden of minder”, zegt Deepak Mishra, een onderzoeksmedewerker bij de afdeling Biologische Technologie van het MIT en de hoofdauteur van de nieuwe studie.
Dit soort circuit zou nuttig kunnen zijn voor het maken van omgevingssensoren of diagnostiek die ziektetoestanden of dreigende gebeurtenissen zoals een hartaanval kunnen onthullen, zeggen de onderzoekers.
Binnen levende cellen zijn eiwit-eiwitinteracties essentiële stappen in veel signaalroutes, waaronder die welke betrokken zijn bij de activering van immuuncellen en reacties op hormonen of andere signalen. Bij veel van deze interacties wordt het ene eiwit geactiveerd of gedeactiveerd door het toevoegen of verwijderen van chemische groepen die fosfaten worden genoemd.
In deze studie gebruikten de onderzoekers gistcellen om hun circuit te hosten en creëerden ze een netwerk van 14 eiwitten van soorten, waaronder gist, bacteriën, planten en mensen. De onderzoekers hebben deze eiwitten aangepast zodat ze elkaar in het netwerk kunnen reguleren om een signaal af te geven als reactie op een bepaalde gebeurtenis.
Hun netwerk, het eerste synthetische circuit dat uitsluitend bestaat uit fosforylering / defosforylering eiwit-eiwit interacties, is ontworpen als een tuimelschakelaar - een circuit dat snel en omkeerbaar kan schakelen tussen twee stabiele toestanden, waardoor het een specifieke gebeurtenis kan "onthouden", zoals blootstelling aan een bepaalde chemische stof. In dit geval is het doelwit sorbitol, een suikeralcohol die in veel fruit voorkomt.
Zodra sorbitol is gedetecteerd, slaat de cel een herinnering op aan de blootstelling, in de vorm van een fluorescerend eiwit dat zich in de kern bevindt. Deze herinnering wordt ook doorgegeven aan toekomstige celgeneraties. Het circuit kan ook worden gereset door het bloot te stellen aan een ander molecuul, in dit geval een chemische stof die isopentenyl-adenine wordt genoemd.
Deze netwerken kunnen ook worden geprogrammeerd om andere functies uit te voeren als reactie op een invoer. Om dit aan te tonen, ontwierpen de onderzoekers ook een circuit dat het vermogen van cellen om zich te delen uitschakelt nadat sorbitol is gedetecteerd.
Door grote reeksen van deze cellen te gebruiken, kunnen de onderzoekers ultragevoelige sensoren maken die reageren op concentraties van het doelmolecuul zo laag als delen per miljard. En vanwege de snelle eiwit-eiwit-interacties kan het signaal in slechts één seconde worden geactiveerd. Met traditionele synthetische circuits kan het uren of zelfs dagen duren om de output te zien.