Forskare vid Rice University har utvecklat syntetiska proteinomkopplare för att kontrollera flödet av elektroner.

proof-of-concept, Metallhaltiga proteiner tillverkade i Rice lab av syntetisk biolog Joff Silberg uttrycks i celler vid införandet av en kemikalie och aktiveras funktionellt av en annan kemikalie. Om proteinerna har placerats i cellen, de kan helt enkelt slås på och av.

"Detta är inte en metafor för en switch, det är en bokstavlig elektrisk strömbrytare byggd av ett protein, sa Silberg.

Proteinerna skulle kunna underlätta nästa generations bioelektronik, inklusive kompletta biologiska kretsar i celler som efterliknar deras elektroniska motsvarigheter. De möjliga tillämpningarna inkluderar levande sensorer, elektroniskt kontrollerade metaboliska vägar för kemisk syntes och aktiva piller som känner av sin miljö och frigör läkemedel endast när det behövs.

Verket dyker upp i Naturens kemiska biologi "Biologi är riktigt bra på att känna av molekyler, sa Silberg, professor i biovetenskap och bioteknik. "Det är en fantastisk sak. Tänk på hur komplex cellen är, och hur proteiner utvecklas som kan svara på en enda uppmaning i ett hav av information. Vi vill utnyttja den utsökta förmågan att bygga mer utarbetade biomolekyler och använda dessa för att utveckla användbara syntetiska biologiska teknologier."

Rice-teamet drar fördel av dessa medfödda förmågor. "Naturliga proteiner som flyttar elektroner fungerar mer eller mindre som ledningar som alltid finns där, " sa Systems, Syntetisk, och fysikalisk biologi doktorand och huvudförfattare Josh Atkinson. "Om vi ​​kan aktivera och stänga av dessa vägar, vi kan få celler att fungera mer effektivt."

Rice's metalloproteinväxlingar - så kallade för deras järnhalt - är snabba, sa Silberg. Naturen styr vanligtvis elektronflödet genom att använda genetiska mekanismer för att kontrollera produktionen av proteinet "trådar".

"Det hela är transkriptionellt, " sa han. "Även i en snabbväxande E coli bakterie, det tar många minuter. Däremot proteinomkopplare fungerar på en tidsskala av sekunder."

För att göra omkopplaren – som de använder i en syntetisk elektronöverföringsväg – behövde forskarna ett stabilt protein som på ett tillförlitligt sätt kunde delas längs dess peptidryggrad för att möjliggöra införandet av proteinfragment som fullbordar eller bryter kretsen. De baserade bytet på ferredoxin, ett vanligt järn-svavelprotein som förmedlar elektronöverföring i alla livets domäner.

Atkinson inbyggda switchar inbyggda E coli som kan slås på i närvaro (eller avstängd i frånvaro) av 4-hydroxytamoxifen, en östrogenreceptormodulator som används för att bekämpa bröstcancer och andra cancerformer, eller av bisfenol A (BPA), en syntetisk kemikalie som används i plast.

Deras E coli bakterie är en mutant stam som är programmerad att endast växa i ett sulfatmedium när alla komponenter i ferredoxinelektrontransportkedjan - inklusive elektrondonator- och acceptorproteiner - uttrycks. På det sättet, bakterierna kunde bara växa om strömbrytarna slås på och överför elektroner som planerat.

Silberg sa att upptäckten borde leda till specialdesignade switchar för många applikationer, inklusive kontakt med externa elektroniska enheter. "Det är därför vi har varit så pigga på den här idén om bioelektronik, ett helt område som växer fram när syntetisk biologi får mer kontroll över designen, " sa han. "När du kan standardisera detta, det finns alla möjliga saker vi kan bygga med celler."

Det kan inkludera smarta piller som endast släpper ut mediciner på begäran, eller tarmbiomedetektorer som rapporterar om tillstånd. Eller kanske elektriska kretsar helt inneslutna i celler.

"Vi kan redan kartlägga mycket av vad elektroingenjörer gör med kondensatorer och motstånd på ämnesomsättningen, men tills nu, det har inte funnits några växlar, sa Silberg.

Han föreslog att flera omkopplare också kunde förvandla en cell till en biologisk processor. "Då kunde vi se digital parallellbehandling i cellen, " sade han. "Det förändrar hur vi ser på biologi."