สวิตช์โปรตีนที่ออกแบบมาช่วยให้สามารถควบคุมเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสวิตช์โปรตีนเทียมตัวแรกที่สามารถทำงานภายในเซลล์ที่มีชีวิตเพื่อแก้ไขหรือควบคุมวงจรภายในที่ซับซ้อนของเซลล์ได้

สวิตช์นี้มีชื่อว่า LOCKR ย่อมาจาก Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein

เอกสารสหายที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 24 กรกฎาคมในวารสาร ธรรมชาติ อธิบายการออกแบบของ LOCKR และสาธิตการใช้งานเทคโนโลยีในทางปฏิบัติหลายประการ งานนี้ดำเนินการโดยทีมงานวิศวกรรมชีวภาพที่นำโดย David Baker จาก UW Medicine Institute for Protein Design และ Hana El-Samad จาก UC San Francisco

นักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่า LOCKR สามารถ "ตั้งโปรแกรม" เพื่อแก้ไขได้ การแสดงออกของยีนเปลี่ยนเส้นทางการรับส่งข้อมูลเซลลูลาร์ ลดระดับโปรตีนจำเพาะ และการควบคุม โปรตีน ปฏิสัมพันธ์ที่มีผลผูกพัน นักวิจัยยังใช้ LOCKR เพื่อสร้างวงจรทางชีวภาพใหม่ที่ทำงานเหมือนกับเซ็นเซอร์อัตโนมัติ วงจรเหล่านี้จะตรวจจับสัญญาณจากสภาพแวดล้อมภายในหรือภายนอกของเซลล์ และตอบสนองโดยการเปลี่ยนแปลงเซลล์ ซึ่งคล้ายกับวิธีที่เทอร์โมสตัทตรวจจับ อุณหภูมิโดยรอบ และสั่งให้ระบบทำความร้อนหรือความเย็นปิดตัวเองทันทีเมื่อถึงอุณหภูมิที่ต้องการ

เมื่อประกอบขึ้นด้วยเซลล์แล้ว สวิตช์ใหม่เหล่านี้จะวัดได้เพียง 8 นาโนเมตรในด้านที่ยาวที่สุด ต้องใช้เงินมากกว่าร้อยล้านเพื่อครอบคลุมช่วงท้ายประโยคนี้

El-Samad ศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและชีวฟิสิกส์ของ Kuo Family จาก UCSF และผู้เขียนร่วมอาวุโสของรายงานกล่าวว่า "ความสามารถในการควบคุมเซลล์ด้วยโปรตีนจากนักออกแบบจะนำไปสู่ยุคใหม่ของชีววิทยา" “ในลักษณะเดียวกันนั้น วงจรรวม ทำให้เกิดการระเบิดของอุตสาหกรรมชิปคอมพิวเตอร์ สวิตช์ชีวภาพอเนกประสงค์และไดนามิกเหล่านี้สามารถปลดล็อกการควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างแม่นยำ และท้ายที่สุดคือสุขภาพของเรา”

ไม่มีคู่กันใน โลกธรรมชาติLOCKR โดดเด่นจากเครื่องมือทุกอย่างในการค้าเทคโนโลยีชีวภาพ รวมถึงเทคโนโลยีล่าสุด เช่น ออพโตเจเนติกส์ และ CRISPR แม้ว่าผลิตภัณฑ์รุ่นก่อนๆ จะถูกค้นพบในธรรมชาติ แล้วปรับแต่งเพื่อใช้ในห้องปฏิบัติการ อุตสาหกรรม หรือการแพทย์ แต่ LOCKR ก็เป็นหนึ่งในเครื่องมือเทคโนโลยีชีวภาพชิ้นแรกๆ ที่มนุษย์คิดและสร้างขึ้นทั้งหมด

ผู้เขียนนำรายงาน ได้แก่ Bobby Langan และ Scott Boyken จาก UW Medicine Institute for Protein Design และ Andrew Ng จาก UC Berkeley-UCSF Graduate Programme สาขาวิศวกรรมชีวภาพ

“ขณะนี้ ทุกเซลล์ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมของมัน” Langan กล่าว “เซลล์ได้รับสิ่งเร้า จากนั้นจะต้องค้นหาว่าต้องทำอย่างไรกับมัน พวกเขาใช้ระบบธรรมชาติเพื่อปรับแต่งการแสดงออกของยีนหรือลดระดับโปรตีน เป็นต้น”

Langan และเพื่อนร่วมงานของเขามุ่งมั่นที่จะสร้างวิธีใหม่ในการเชื่อมต่อกับระบบเซลลูล่าร์เหล่านี้ พวกเขาใช้การคำนวณ การออกแบบโปรตีน เพื่อสร้างโปรตีนที่ประกอบตัวได้เองซึ่งนำเสนอเปปไทด์ที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพเมื่อมีการเติม "คีย์" โมเลกุลเฉพาะเท่านั้น

ด้วยการติดตั้ง LOCKR ในยีสต์ ทีมงานจึงสามารถแสดงให้เห็นว่าเชื้อราที่ดัดแปลงพันธุกรรมนั้นสามารถย่อยสลายโปรตีนในเซลล์เฉพาะในเวลาที่นักวิจัยเลือกได้ การออกแบบสวิตช์ใหม่ยังแสดงให้เห็นถึงผลเช่นเดียวกันกับเซลล์มนุษย์ที่ปลูกในห้องปฏิบัติการ

เพื่อรักษาสุขภาพให้แข็งแรง เซลล์จะต้องควบคุมกระบวนการทางชีวเคมีอย่างเข้มงวด กิจกรรมที่ผิดปกติในยีนเพียงตัวเดียว หรือการสะสมของโปรตีนที่ไม่ถูกต้อง อาจทำให้สมดุลของเซลล์เสียได้ สิ่งนี้อาจทำให้เซลล์ตายหรือเป็นมะเร็งได้ LOCKR ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มีวิธีใหม่ในการโต้ตอบกับเซลล์ที่มีชีวิต จึงสามารถทำให้เกิดคลื่นลูกใหม่ของการรักษาโรคที่หลากหลายพอๆ กับมะเร็ง ความผิดปกติของภูมิต้านทานผิดปกติ และอื่น ๆ.

“LOCKR เปิดขอบเขตใหม่ของความเป็นไปได้สำหรับการเขียนโปรแกรม เซลล์” อึ้งกล่าว “ตอนนี้เราถูกจำกัดด้วยจินตนาการและความคิดสร้างสรรค์มากกว่าโปรตีนที่ธรรมชาติได้พัฒนาขึ้น”