MIT-ingenjörer har designat magnetiska proteinnanopartiklar som kan användas för att spåra celler eller för att övervaka interaktioner inom celler. Partiklarna, beskrivs idag i Naturkommunikation , är en förbättrad version av en naturligt förekommande, svagt magnetiskt protein som kallas ferritin.

"Ferritin, som är så nära som biologi har gett oss en naturligt magnetisk proteinnanopartikel, är verkligen inte så magnetiskt. Det är vad denna tidning tar upp, " säger Alan Jasanoff, en MIT-professor i biologisk teknik och tidningens seniorförfattare. "Vi använde verktygen för proteinteknik för att försöka öka de magnetiska egenskaperna hos detta protein."

De nya "hypermagnetiska" proteinnanopartiklarna kan produceras i celler, gör att cellerna kan avbildas eller sorteras med hjälp av magnetiska tekniker. Detta eliminerar behovet av att märka celler med syntetiska partiklar och gör att partiklarna kan känna av andra molekyler inuti celler.

Tidningens huvudförfattare är tidigare MIT-student Yuri Matsumoto. Andra författare är doktoranden Ritchie Chen och Polina Anikeeva, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik.

Magnetisk dragkraft

Tidigare forskning har gett syntetiska magnetiska partiklar för avbildning eller spårning av celler, men det kan vara svårt att leverera dessa partiklar till målcellerna.

I den nya studien, Jasanoff och kollegor siktar på att skapa magnetiska partiklar som är genetiskt kodade. Med detta tillvägagångssätt, forskarna levererar en gen för ett magnetiskt protein till målcellerna, får dem att börja producera proteinet på egen hand.

"Istället för att faktiskt tillverka en nanopartikel i labbet och fästa den på celler eller injicera den i celler, allt vi behöver göra är att introducera en gen som kodar för detta protein, " säger Jasanoff, som också är associerad medlem av MIT:s McGovern Institute for Brain Research.

Som utgångspunkt, forskarna använde ferritin, som bär en tillgång på järnatomer som varje cell behöver som komponenter i metabola enzymer. I hopp om att skapa en mer magnetisk version av ferritin, forskarna skapade cirka 10 miljoner varianter och testade dem i jästceller.

Efter upprepade omgångar av screening, forskarna använde en av de mest lovande kandidaterna för att skapa en magnetisk sensor bestående av förstärkt ferritin modifierat med en proteintagg som binder till ett annat protein som kallas streptavidin. Detta gjorde det möjligt för dem att detektera om streptavidin fanns i jästceller; dock, detta tillvägagångssätt kan också skräddarsys för att inrikta sig på andra interaktioner.

Det muterade proteinet verkar framgångsrikt övervinna en av de viktigaste bristerna hos naturligt ferritin, vilket är att det är svårt att ladda med järn, säger Alan Koretsky, en senior utredare vid National Institute of Neurological Disorders and Stroke.

"Att kunna göra fler magnetiska indikatorer för MRI skulle vara fantastiskt, och detta är ett viktigt steg mot att göra den typen av indikator mer robust, säger Koretsky, som inte ingick i forskargruppen.

Känner av cellsignaler

Eftersom de konstruerade ferritinerna är genetiskt kodade, de kan tillverkas i celler som är programmerade att få dem att svara endast under vissa omständigheter, som när cellen tar emot någon form av extern signal, när den delar sig, eller när den differentierar till en annan typ av cell. Forskare kunde spåra denna aktivitet med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRI), potentiellt tillåta dem att observera kommunikation mellan neuroner, aktivering av immunceller, eller stamcellsdifferentiering, bland andra fenomen.

Sådana sensorer kan också användas för att övervaka effektiviteten av stamcellsterapier, säger Jasanoff.

"När stamcellsterapier utvecklas, det kommer att bli nödvändigt att ha icke-invasiva verktyg som gör att du kan mäta dem, " säger han. Utan den här typen av övervakning, det skulle vara svårt att avgöra vilken effekt behandlingen har, eller varför det kanske inte fungerar.

Forskarna arbetar nu med att anpassa de magnetiska sensorerna för att fungera i däggdjursceller. De försöker också göra det konstruerade ferritinet ännu starkare magnetiskt.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.