基于蛋白质的纳米计算机进化出影响细胞行为的能力

宾夕法尼亚州立大学的研究人员创造了第一个以蛋白质为基础的纳米计算代理，它具有电路功能。这一里程碑使他们更接近于开发下一代基于细胞的疗法来治疗糖尿病和癌症等疾病。

用于基于细胞的疗法的传统合成生物学方法，例如破坏癌细胞或促进损伤后组织再生的方法，依赖于在细胞内产生所需作用的蛋白质的表达或抑制。这种方法可能需要时间(蛋白质表达和降解)并在此过程中消耗细胞能量。宾夕法尼亚州立大学医学院 和 哈克生命科学研究所的研究人员 正在采取不同的方法。

“我们正在设计直接产生所需作用的蛋白质，” G. Thomas Passananti 教授兼药理学系研究副主席Nikolay Dokholyan说。“我们的基于蛋白质的设备或纳米计算代理直接响应刺激(输入)，然后产生所需的动作(输出)。”

在今天(5 月 26 日)发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，Dokholyan 和生物信息学和基因组学博士生 Jiaxing Chen 描述了他们创建纳米计算代理的方法。他们通过整合两个传感器域或对刺激有反应的区域来设计目标蛋白质。在这种情况下，目标蛋白通过调整其方向或空间位置来响应光和一种叫做雷帕霉素的药物。

为了测试他们的设计，该团队将他们的工程蛋白引入培养的活细胞中。通过将培养的细胞暴露于刺激物，他们使用设备测量细胞暴露于传感器域的刺激物后细胞方向的变化。

以前，他们的 纳米计算代理需要两个输入来产生一个输出。现在，Chen 说有两种可能的输出，输出取决于接收输入的顺序。如果先检测到雷帕霉素，然后检测到光，则细胞将采用一个细胞定向角度，但如果以相反的顺序接收刺激，则细胞将采用不同的定向角度。陈说，这个实验性的概念验证为开发更复杂的纳米计算代理打开了大门。

“从理论上讲，你嵌入纳米计算代理的输入越多，不同组合产生的潜在结果就越多，”陈说。“潜在的输入可能包括物理或化学刺激，输出可能包括细胞行为的变化，例如细胞方向、迁移、修改基因表达和免疫细胞对癌细胞的细胞毒性。”

该团队计划进一步开发他们的纳米计算代理，并试验该技术的不同应用。宾夕法尼亚州立大学癌症研究所 和 宾夕法尼亚州立大学神经科学研究所的研究员 Dokholyan 表示，他们的概念有朝一日可能会成为针对各种疾病的下一代细胞疗法的基础，例如自身免疫性疾病、病毒感染、糖尿病、神经损伤和癌症.

宾夕法尼亚州立大学医学院的Yashavantha Vishweshwaraiah、 Richard Mailman 和 Erdem Tabdanov也为这项研究做出了贡献。作者宣称没有利益冲突。

这项工作由国立卫生研究院 (grant 1R35GM134864) 和帕桑基金会资助。