Разработка клеточных биологических устройств, которые отслеживают и изменяют физиологию человека, является многообещающим рубежом в клинической синтетической биологии. Однако ни одна из существующих технологий не позволила биоинженерам создавать такие устройства, которые определяют физиологическое состояние пациента и реагируют на него индивидуально.
«В рамках проекта был устранен ключевой пробел в инструментарии синтетической биологии», — говорит Джошуа Леонард, доцент кафедры химической и биологической инженерии Северо-западной школы инженерии и прикладных наук Маккормика. «Не было способа сконструировать клетки таким образом, чтобы они могли воспринимать ключевую информацию об окружающей их среде, которая могла бы указывать на то, находится ли сконструированная клетка в здоровой ткани или сидит рядом с опухолью."
Исследование, финансируемое Национальной академией Кека Futures Initiative и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, доступно для чтения в Интернете в журнале ACS Synthetic Biology.
Команда Леонарда работала почти четыре года, чтобы восполнить этот пробел. Конечным результатом является белковый биосенсор, который находится на поверхности клетки и может быть запрограммирован на определение определенных внешних факторов. Например, сконструированная клетка может обнаруживать большие растворимые белковые молекулы, указывающие на то, что она находится рядом с опухолью.
Когда биосенсор обнаруживает такой фактор, он посылает сигнал в ядро сконструированной клетки, чтобы активировать программу экспрессии генов, такую как производство белков или химикатов, убивающих опухоль. Поскольку эта токсическая программа будет активироваться только вблизи опухолевых клеток, такой подход может минимизировать побочные эффекты, а также улучшить терапевтические преимущества.
Платформа биосенсоров, получившая название модульной архитектуры внеклеточных датчиков (MESA), является полностью автономной, так что несколько разных биосенсоров могут присутствовать в одной клетке, не мешая друг другу, что позволяет биоинженерам создавать все более сложные функциональные программы.
Платформа также имеет модульную структуру, что позволяет настраивать биосенсоры для распознавания факторов, имеющих отношение к различным потребностям пациентов.
«Связывая выходные данные этих биосенсоров с генетическими программами, можно создать определенную логическую команду, например« включить выходной ген, когда вы чувствуете этот фактор, но не этот фактор », — объясняет Леонард. "Таким образом, вы можете запрограммировать клеточную терапию, чтобы указать, какие клетки она должна убить."
Леонард говорит, что врачи потенциально могут собирать иммунные клетки из тела пациента, создавать клетки с помощью MESA и возвращать их пациенту.
Оттуда клетки будут выполнять работу по обнаружению рака или болезни, для выявления которой они предназначены.
Это первая полностью разработанная с нуля разработка рецептора, и теперь, когда основная технология создана, команда Леонарда продвигается вперед к программированию клеток для распознавания специфических факторов, связанных с опухолью.
Они также ищут приложения, выходящие за рамки передовой клеточной терапии.
«Похоже, это то, что всегда происходит в синтетической биологии», — говорит он. "Когда вы начинаете что-то строить, вы сначала много узнаете о системе, которую пытаетесь изменить. В конце концов, вы придумываете не только полезные приложения, но и инструменты, которые облегчают фундаментальную науку."