O primeiro agente de nanocomputação baseado em proteína que funciona como um circuito foi criado por pesquisadores da Penn State. O marco os coloca um passo mais perto de desenvolver terapias baseadas em células de última geração para tratar doenças como diabetes e câncer.
As abordagens tradicionais de biologia sintética para terapias baseadas em células, como as que destroem células cancerígenas ou estimulam a regeneração de tecidos após lesões, dependem da expressão ou supressão de proteínas que produzem uma ação desejada dentro de uma célula. Essa abordagem pode levar tempo (para que as proteínas sejam expressas e degradadas) e custar energia celular no processo. Uma equipe de pesquisadores da Penn State College of Medicine e do Huck Institutes of the Life Sciences está adotando uma abordagem diferente.
“Estamos projetando proteínas que produzem diretamente uma ação desejada”, disse Nikolay Dokholyan, professor G. Thomas Passananti e vice-presidente de pesquisa do Departamento de Farmacologia. “Nossos dispositivos baseados em proteínas ou agentes de nanocomputação respondem diretamente a estímulos (entradas) e então produzem uma ação desejada (saídas).”
Em um estudo publicado em Avanços da ciência hoje (26 de maio) Dokholyan e o estudante de doutorado em bioinformática e genômica Jiaxing Chen descrevem sua abordagem para criar seu agente de nanocomputação. Eles projetaram uma proteína-alvo integrando dois domínios de sensores, ou áreas que respondem a estímulos. Nesse caso, a proteína-alvo responde à luz e a um medicamento chamado rapamicina ajustando sua orientação ou posição no espaço.
Para testar seu projeto, a equipe introduziu sua proteína projetada em células vivas em cultura. Ao expor as células cultivadas aos estímulos, eles usaram equipamentos para medir as mudanças na orientação celular depois que as células foram expostas aos estímulos dos domínios do sensor.
Anteriormente, seu agente de nanocomputação exigia duas entradas para produzir uma saída. Agora, Chen diz que há duas saídas possíveis e a saída depende da ordem em que as entradas são recebidas. Se a rapamicina for detectada primeiro, seguida pela luz, a célula adotará um ângulo de orientação celular, mas se os estímulos forem recebidos na ordem inversa, a célula adotará um ângulo de orientação diferente. Chen diz que esta prova de conceito experimental abre as portas para o desenvolvimento de agentes de nanocomputação mais complexos.
“Teoricamente, quanto mais entradas você incorporar em um agente de nanocomputação, mais resultados potenciais podem resultar de diferentes combinações”, disse Chen. “As entradas potenciais podem incluir estímulos físicos ou químicos e as saídas podem incluir mudanças nos comportamentos celulares, como direção celular, migração, modificação da expressão gênica e citotoxicidade das células imunes contra células cancerígenas”.
A equipe planeja desenvolver ainda mais seus agentes de nanocomputação e experimentar diferentes aplicações da tecnologia. Dokholyan, pesquisador do Penn State Cancer Institute e do Penn State Neuroscience Institute, disse que seu conceito poderia algum dia formar a base das terapias baseadas em células de próxima geração para várias doenças, como doenças autoimunes, infecções virais, diabetes, lesões nervosas e câncer. .
Yashavantha Vishweshwaraiah, Richard Mailman e Erdem Tabdanov da Penn State College of Medicine também contribuíram para esta pesquisa. Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (concessão 1R35GM134864) e pela Fundação Passan.