No entanto, geralmente há um longo intervalo de tempo entre um evento, como a detecção de uma molécula, e a saída resultante, devido ao tempo necessário para as células transcreverem e traduzirem os genes necessários.
Os biólogos sintéticos do MIT desenvolveram agora uma abordagem alternativa para projetar tais circuitos, que se baseia exclusivamente em interações proteína-proteína rápidas e reversíveis. Isso significa que não há espera para que os genes sejam transcritos ou traduzidos em proteínas, então os circuitos podem ser ligados muito mais rápido - em segundos.
“Agora temos uma metodologia para projetar interações de proteínas que ocorrem em uma escala de tempo muito rápida, que ninguém foi capaz de desenvolver sistematicamente. Estamos chegando ao ponto de sermos capazes de projetar qualquer função em escalas de tempo de alguns segundos ou menos ”, diz Deepak Mishra, pesquisador associado do Departamento de Engenharia Biológica do MIT e principal autor do novo estudo.
Este tipo de o circuito pode ser útil para a criação de sensores ambientais ou diagnósticos que podem revelar estados de doenças ou eventos iminentes, como um ataque cardíaco, dizem os pesquisadores.
Dentro das células vivas, as interações proteína-proteína são etapas essenciais em muitas vias de sinalização, incluindo aquelas envolvidas na ativação de células imunológicas e respostas a hormônios ou outros sinais. Muitas dessas interações envolvem uma proteína ativando ou desativando outra, adicionando ou removendo grupos químicos chamados fosfatos.
Neste estudo, os pesquisadores usaram células de levedura para hospedar seu circuito e criaram uma rede de 14 proteínas de espécies, incluindo leveduras, bactérias, plantas e humanos. Os pesquisadores modificaram essas proteínas para que pudessem se regular na rede para produzir um sinal em resposta a um determinado evento.
Sua rede, o primeiro circuito sintético a consistir exclusivamente em interações proteína-proteína de fosforilação / desfosforilação, é projetada como um botão de alternância - um circuito que pode alternar rápida e reversivelmente entre dois estados estáveis, permitindo que "lembre" de um evento específico, como exposição a um determinado produto químico. Nesse caso, o alvo é o sorbitol, um álcool de açúcar encontrado em muitas frutas.
Uma vez detectado o sorbitol, a célula armazena uma memória da exposição, na forma de uma proteína fluorescente localizada no núcleo. Essa memória também é passada para as futuras gerações de células. O circuito também pode ser reiniciado expondo-o a uma molécula diferente, neste caso, uma substância química chamada isopentenil adenina.
Essas redes também podem ser programadas para executar outras funções em resposta a uma entrada. Para demonstrar isso, os pesquisadores também projetaram um circuito que desliga a capacidade das células de se dividirem após a detecção do sorbitol.
Usando grandes matrizes dessas células, os pesquisadores podem criar sensores ultrassensíveis que respondem a concentrações da molécula alvo tão baixas quanto partes por bilhão. E por causa das rápidas interações proteína-proteína, o sinal pode ser disparado em apenas um segundo. Com circuitos sintéticos tradicionais, pode levar horas ou até dias para ver a saída.