Forskare har skapat den första helt artificiella proteinomkopplaren som kan fungera inuti levande celler för att modifiera - eller till och med kommandera - cellens komplexa interna kretsar.

Omkopplaren kallas LOCKR, kort för Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein.

Companion papers publicerade den 24 juli i tidningen Natur beskriv LOCKRs design och demonstrera flera praktiska tillämpningar av tekniken. Arbetet utfördes av bioingenjörsteam ledda av David Baker vid UW Medicine Institute for Protein Design och Hana El-Samad vid UC San Francisco.

Forskarna visar att LOCKR kan "programmeras" för att modifiera genuttryck, omdirigera mobil trafik, bryta ned specifika proteiner, och kontrollera proteinbindningsinteraktioner. Forskarna använder också LOCKR för att bygga nya biologiska kretsar som beter sig som autonoma sensorer. Dessa kretsar detekterar signaler från cellens inre eller yttre miljö och svarar genom att göra ändringar i cellen. Detta liknar det sätt som en termostat känner av omgivningstemperaturen och leder ett värme- eller kylsystem att stänga av sig själv så snart en önskad temperatur uppnås.

En gång monterad av en cell, dessa nya omkopplare mäter bara åtta nanometer på sin längsta sida. Mer än hundra miljoner skulle behövas för att täcka perioden i slutet av denna mening.

"Möjligheten att kontrollera celler med designerproteiner inleder en ny era av biologi, "sa El-Samad, Kuo Family Professor i biokemi och biofysik vid UCSF och medförfattare till rapporterna. "På samma sätt som integrerade kretsar möjliggjorde explosionen av datorchipsindustrin, dessa mångsidiga och dynamiska biologiska switchar kan snart låsa upp exakt kontroll över levande cellers beteende och, i sista hand, vår hälsa."

Har ingen motsvarighet i den naturliga världen, LOCKR skiljer sig från alla verktyg inom bioteknikhandeln, inklusive ny teknik som optogenetik och CRISPR. Medan dess föregångare upptäcktes i naturen och sedan återanpassades för användning i laboratorier, industri, eller medicin, LOCKR är ett av de första biotekniska verktygen som helt är tänkta och byggda av människor.

Rapportens huvudförfattare är Bobby Langan och Scott Boyken från UW Medicine Institute for Protein Design, och Andrew Ng från UC Berkeley-UCSF Graduate Program in Bioengineering.

"Just nu, varje cell svarar på sin omgivning, "sa Langan." Celler får stimuli, måste sedan ta reda på vad jag ska göra åt det. De använder naturliga system för att justera genuttryck eller bryta ner proteiner, till exempel."

Langan och hans kollegor bestämde sig för att skapa ett nytt sätt att interagera med dessa cellulära system. De använde beräkningsproteindesign för att skapa självmonterande proteiner som endast presenterar bioaktiva peptider efter tillsats av specifika molekylära "nycklar".

Med en version av LOCKR installerad i jäst, laget kunde visa att den genetiskt modifierade svampen kunde göras för att bryta ned ett specifikt cellulärt protein vid en tidpunkt då forskarna valde. Genom att omforma omkopplaren, de visade också samma effekt i laboratorieodlade mänskliga celler.

Att hålla sig frisk, celler måste noggrant kontrollera sina biokemiska processer. Onormal aktivitet i bara en gen, eller uppbyggnad av fel protein, kan rubba cellens jämvikt. Detta kan leda till celldöd eller till och med cancer. LOCKR ger forskare ett nytt sätt att interagera med levande celler. Det kan därigenom möjliggöra en ny våg av terapier för så olika sjukdomar som cancer, autoimmuna sjukdomar med mera.

"LOCKR öppnar ett helt nytt område för möjligheter för programmering av celler, "sa Ng." Vi är nu begränsade mer av vår fantasi och kreativitet snarare än de proteiner som naturen har utvecklat. "