Investigadores de Penn State han creado el primer agente de nanocomputación basado en proteínas que funciona como un circuito. El hito los coloca un paso más cerca del desarrollo de terapias basadas en células de próxima generación para tratar enfermedades como la diabetes y el cáncer.
Los enfoques tradicionales de biología sintética para las terapias basadas en células, como las que destruyen las células cancerosas o fomentan la regeneración de tejidos después de una lesión, se basan en la expresión o supresión de proteínas que producen una acción deseada dentro de una célula. Este enfoque puede llevar tiempo (para que las proteínas se expresen y se degraden) y cuesta energía celular en el proceso. Un equipo de investigadores de la Facultad de Medicina de Penn State y los Institutos Huck de Ciencias de la Vida están adoptando un enfoque diferente.
«Estamos diseñando proteínas que producen directamente una acción deseada», dijo Nikolay Dokholyan, profesor de G. Thomas Passananti y vicepresidente de investigación en el Departamento de Farmacología. «Nuestros dispositivos basados en proteínas o agentes de nanocomputación responden directamente a los estímulos (entradas) y luego producen una acción deseada (salidas)».
En un estudio publicado en Avances de la ciencia hoy (26 de mayo) Dokholyan y el estudiante de doctorado en bioinformática y genómica Jiaxing Chen describen su enfoque para crear su agente de nanocomputación. Diseñaron una proteína diana integrando dos dominios sensores, o áreas que responden a los estímulos. En este caso, la proteína diana responde a la luz y a un fármaco llamado rapamicina ajustando su orientación o posición en el espacio.
Para probar su diseño, el equipo introdujo su proteína modificada en células vivas en cultivo. Al exponer las células cultivadas a los estímulos, utilizaron equipos para medir los cambios en la orientación celular después de que las células se expusieran a los estímulos de los dominios sensores.
Anteriormente, su agente de nanocomputación requería dos entradas para producir una salida. Ahora, Chen dice que hay dos salidas posibles y que la salida depende del orden en que se reciben las entradas. Si se detecta primero la rapamicina, seguida de la luz, la célula adoptará un ángulo de orientación celular, pero si los estímulos se reciben en orden inverso, la célula adoptará un ángulo de orientación diferente. Chen dice que esta prueba de concepto experimental abre la puerta para el desarrollo de agentes de nanocomputación más complejos.
«Teóricamente, cuantas más entradas incorpores en un agente de nanocomputación, más resultados potenciales podrían resultar de diferentes combinaciones», dijo Chen. «Las entradas potenciales podrían incluir estímulos físicos o químicos y las salidas podrían incluir cambios en los comportamientos celulares, como la dirección celular, la migración, la modificación de la expresión génica y la citotoxicidad de las células inmunitarias contra las células cancerosas».
El equipo planea desarrollar aún más sus agentes de nanocomputación y experimentar con diferentes aplicaciones de la tecnología. Dokholyan, investigador del Instituto de Cáncer de Penn State y del Instituto de Neurociencia de Penn State, dijo que su concepto algún día podría formar la base de las terapias basadas en células de próxima generación para diversas enfermedades, como enfermedades autoinmunes, infecciones virales, diabetes, lesiones nerviosas y cáncer. .
Yashavantha Vishweshwaraiah, Richard Mailman y Erdem Tabdanov de la Facultad de Medicina de Penn State también contribuyeron a esta investigación. Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (subvención 1R35GM134864) y la Fundación Passan.
