QUT-forskare har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att designa molekylära ON-OFF-omkopplare baserade på proteiner som kan användas i en mängd biotekniska, biomedicinska och biotekniska tillämpningar.
Forskargruppen visade att detta nya tillvägagångssätt tillåter dem att designa och bygga snabbare och mer exakta diagnostiska tester för att upptäcka sjukdomar, övervaka vattenkvaliteten och upptäcka miljöföroreningar.
Professor Kirill Alexandrov, från QUT School of Biology and Environmental Science, ledande forskare på CSIRO-QUT Synthetic Biology Alliance och en forskare vid ARC Center of Excellence in Synthetic Biology, sa att den nya tekniken publicerad i Nature Nanotechnology visade att proteinomkopplare kunde konstrueras på ett förutsägbart sätt.
Professor Alexandrov sa att för närvarande tillgängliga diagnostiska tester som gav omedelbara resultat, som blodsocker, graviditet och covid-testsatser, använde proteinavkänningssystem för att upptäcka närvaron av socker, graviditetshormoner och covid-proteiner.
"Dessa representerar dock bara en liten bråkdel av vad som behövs i patientfokuserad hälsovårdsmodell", sa professor Alexandrov.
"Men att utveckla nya avkänningssystem är en utmanande och tidskrävande prova-och-fel-process."
"Den nya 'protein nano-switch'-metoden kan kraftigt påskynda utvecklingen av liknande diagnostik genom att minska tiden och öka framgångsfrekvensen. Den använder proteiner som modifierats för att bete sig som ON/OFF-knappar som svar på specifika mål."
"Fördelen med vårt tillvägagångssätt är att systemet är modulärt, liknar att bygga med legoklossar, så att du enkelt kan byta ut delar för att rikta in dig på något annat, till exempel ett annat läkemedel eller en medicinsk biomarkör."
Professor Alexandrov sa att metoden erbjöd möjligheten att bygga många olika diagnostiska och analytiska tester, med ett brett utbud av möjliga tillämpningar, inklusive diagnostik inom människors och djurs hälsa, testsatser för vattenförorening och detektering av sällsynta jordartsmetaller i prover för att styra gruvdrift.
Det multidisciplinära forskarteamet inkluderade forskare från QUT och ARC Center of Excellence in Synthetic Biology, bestående av huvudforskare professor Kirill Alexandrov, Dr Zhong Guo, Cagla Ergun Ayva, Patricia Walden och adjungerad professor Claudia Vickers.
QUT-teamet samarbetade med de ledande elektrokemisterna Evgeny Katz och Oleh Smutok från Clarkson University, i New York, och kemisk patolog Dr. Jacobus Ungerer från Queensland Health.
För att demonstrera tekniken fokuserade teamet på ett cancerkemoterapiläkemedel som är giftigt och som kräver konstant mätning för att säkerställa patientens välbefinnande.
"För lite av läkemedlet dödar inte cancern, men för mycket kan döda patienten", sa professor Alexandrov.
Sensorn som teamet designat för drogen använder en färgförändring för att identifiera och kvantifiera drogen.
Professor Alexandrov sa att nästa steg var att sensorn skulle testas i Queensland Health-laboratorier för godkännande för användning i klinisk miljö.
"Det är verkligen spännande, eftersom det är första gången en artificiellt designad proteinbiosensor faktiskt kan vara lämplig för en verklig diagnostisk tillämpning", sa professor Alexandrov.
Dr. Ungerer sa att den proteintekniska teknologin som utvecklats av forskargruppen gav ett nytt sätt att skapa laboratorietester.
"Detta har potential att förbättra och utöka laboratorietester, vilket kommer att resultera i betydande hälso- och ekonomiska fördelar," sa Dr. Ungerer.
Dr. Guo sa att dessa framsteg möjliggjordes av ett internationellt och tvärvetenskapligt team och utmärkt lagarbete.
Professor Alexandrov sa att nästa steg var att ta detta tillvägagångssätt och standardisera och skala det, för att sedan börja bygga mer sofistikerade delsystem. Han sa att det finns två framtida riktningar för arbetet.
"Den ena är att utveckla datormodeller som gör att vi kan designa och bygga switcharna ännu snabbare och mer exakt", sa han.
"Den andra är att visa skalan och potentialen hos tekniken genom att bygga många switchar för olika diagnostiska tillämpningar."
Professor Alexandrov sa att teamet för närvarande modifierade befintliga proteiner, men i framtiden skulle de kunna använda samma principer för att utveckla komponenter som inte existerade och som skulle designas från grunden.
"Den nya tekniken ger forskare oöverträffad kontroll över konstruktionen av proteinbaserade avkänningssystem", sa han.
Artikeln 'Utveckling av epistatiska JA- och proteinlogiska grindar och deras sammansättning till signalkaskader' är publicerad i Nature Nanotechnology .
Mer information: Guo, Z. et al. Utveckling av epistatiska JA- och OCH-proteinlogiska grindar och deras sammansättning till signalkaskader, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01450-y. www.nature.com/articles/s41565-023-01450-y
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Queensland University of Technology
