Bioingenieros de la Universidad Rice han desarrollado un nuevo kit de construcción para crear circuitos adaptables y receptivos en células humanas. La investigación fue publicada en la revista. Cienciarepresenta un gran avance en el campo de la biología sintética que podría revolucionar el tratamiento de enfermedades complejas como las enfermedades autoinmunes y el cáncer.
“Imagínese pequeños procesadores dentro de células hechos de proteínas que puedan ‘decidir’ si la inflamación, los marcadores de crecimiento tumoral o los niveles de azúcar en la sangre son importantes”, dijo Xiao Yang, estudiante de doctorado en biología de sistemas, sintética y fisiológica. señales específicas como la superficie”. . programa en Rice, quien es el autor principal del estudio. “Este trabajo nos acerca mucho a la posibilidad de crear ‘células inteligentes’ que puedan detectar signos de enfermedad y lanzar rápidamente tratamientos personalizados en respuesta”.
Un nuevo enfoque para el diseño de circuitos celulares artificiales se basa en la fosforilación, un proceso natural que utilizan las células para responder a su entorno que agrega un grupo fosfato a las proteínas. La fosforilación está involucrada en una amplia gama de funciones celulares, incluida la conversión de señales extracelulares en respuestas intracelulares, como el movimiento, la secreción de una sustancia, la respuesta a un patógeno o la expresión de un gen.
En los organismos multicelulares, la señalización basada en la fosforilación a menudo implica un efecto en cascada de varias etapas, como la caída de fichas de dominó. Intentos anteriores de utilizar este enfoque con fines terapéuticos en células humanas se han centrado en la reingeniería de las vías de señalización locales existentes. Sin embargo, la complejidad de las vías hace que sea difícil trabajar con ellas, por lo que las aplicaciones han sido bastante limitadas.
Sin embargo, gracias a los nuevos descubrimientos de los investigadores del arroz, las innovaciones basadas en la fosforilación en la ingeniería de “células inteligentes” pueden experimentar un crecimiento significativo en los próximos años. Lo que permitió este desarrollo fue un cambio de perspectiva:
La fosforilación es un proceso secuencial que pasa de una entrada celular (es decir, algo que la célula encuentra o siente en su entorno) a una salida (algo que la célula hace en respuesta) en una serie de ciclos interconectados que aparecen como una serie. Lo que el equipo de investigación se dio cuenta (y se propuso demostrar) fue que cada ciclo de la cascada podría considerarse como una unidad inicial, y esas unidades podrían vincularse de nuevas maneras para crear un todo nuevo que vincule las células. entradas y salidas. .
“Esto abre drásticamente el espacio del diseño de circuitos de señalización”, afirmó Caleb Bashor, profesor asistente de bioingeniería y biociencias y autor correspondiente del estudio. “Resulta que los ciclos de fosforilación no sólo están conectados entre sí sino también entre sí; eso es algo que no estábamos seguros de que se pudiera hacer con este nivel de sofisticación.
“Nuestra estrategia de diseño nos permitió diseñar circuitos de fosforilación sintética que no sólo son altamente adaptables sino que también pueden operar en paralelo con los propios procesos de las células sin afectar su viabilidad o tasa de crecimiento”.
Si bien esto puede parecer sencillo, descubrir cómo construir, integrar y ajustar las unidades (incluido el diseño de las salidas intra y extracelulares) no fue todo lo contrario. Además, el hecho de que se pudieran construir e implementar circuitos artificiales en células vivas no era un hecho.
“No necesariamente esperábamos que nuestros circuitos de señalización sintéticos, que están compuestos enteramente por segmentos de proteínas diseñados, funcionaran con la misma velocidad y eficiencia que las vías de señalización naturales que se encuentran en las células humanas”, dijo Yang. “No hace falta decir que nos sorprendió gratamente saber que esto tenía que suceder. Fue necesario mucho esfuerzo y apoyo para lograrlo”.
Un enfoque modular de bricolaje para el diseño de circuitos celulares demostró ser capaz de reproducir una importante capacidad a nivel de sistema de las cascadas de fosforilación locales, es decir, amplificar señales de entrada débiles en salidas macroscópicas. Las observaciones experimentales de este efecto confirmaron las predicciones de modelos cuantitativos del equipo, reforzando el valor del nuevo marco como herramienta fundamental para la biología sintética.
Otra ventaja distintiva del nuevo enfoque para detectar y responder al diseño de circuitos celulares es que la fosforilación ocurre rápidamente en segundos o minutos, por lo que potencialmente pueden ocurrir nuevos circuitos artificiales de señalización de fosfo en una escala de tiempo similar para responder a eventos físicos. . Por el contrario, muchos diseños de circuitos sintéticos anteriores se basaban en procesos moleculares discretos, como la transcripción, que pueden tardar horas en activarse.
Los investigadores también probaron la sensibilidad y la capacidad de los circuitos para responder a señales externas, como factores inflamatorios. Para demostrar su potencial traslacional, el equipo utilizó el marco para diseñar un circuito celular que pueda detectar estos factores y usarlo para controlar los brotes autoinmunes y se pueden administrar inmunosupresores para reducir la toxicidad asociada con la terapia.
“Nuestra investigación demuestra que es posible construir circuitos programables en células humanas que respondan con rapidez y precisión a las señales, y este es el primer informe sobre un kit de construcción para diseñar circuitos de fosforilación artificial”, dijo Bischer, quien también trabaja como su subdirector. . El Instituto de Biología Sintética de Rice, que se inauguró a principios de este año para aprovechar la profunda experiencia de Rice en el campo y estimular la colaboración; Investigación
Carolyn Aju-Franklin, directora del instituto, dijo que los resultados del estudio son un ejemplo del trabajo transformador que los investigadores del arroz están realizando en biología sintética.
Ajo Franklin dijo: “Si en los últimos 20 años los biólogos sintéticos han aprendido a manipular la forma en que las bacterias responden lentamente a las señales ambientales, el trabajo del laboratorio de Bashor nos lleva a una nueva frontera: controla la respuesta de transformación inmediata de las células de los mamíferos”. Profesor de Biociencias, Bioingeniería, Ingeniería Química y Biomolecular y Becario del Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas.
