Switch-in-a-cell electrifica la vida

Los científicos de la Universidad Rice han desarrollado interruptores de proteínas sintéticas para controlar el flujo de electrones.

La prueba de concepto, las proteínas que contienen metales hechas en el laboratorio de Rice del biólogo sintético Joff Silberg se expresan dentro de las células tras la introducción de un químico y se activan funcionalmente por otro químico.

Si las proteínas se han colocado en la célula, simplemente se pueden activar y desactivar.

«Esta no es una metáfora de un interruptor, es un interruptor eléctrico literal construido a partir de una proteína», dijo Silberg.

Las proteínas podrían facilitar la bioelectrónica de próxima generación, incluyendo circuitos biológicos completos dentro de las células que imitan a sus contrapartes electrónicas.

Las posibles aplicaciones incluyen sensores vivos, vías metabólicas controladas electrónicamente para la síntesis química y píldoras activas que detectan su entorno y liberan medicamentos solo cuando es necesario.

El trabajo aparece en la biología química de la naturaleza . «La biología es realmente buena para detectar moléculas», dijo Silberg, profesor de biociencias y bioingeniería. «Eso es algo asombroso.

Piense en cuán compleja es la célula y cómo evolucionan las proteínas que pueden responder a un solo aviso en un mar de información.

Queremos aprovechar esa capacidad exquisita para construir biomoléculas más elaboradas y usarlas para desarrollar sintéticos útiles. tecnologías de la biología «.

El equipo de Rice aprovecha esas habilidades innatas. «Las proteínas naturales que mueven los electrones más o menos actúan como cables que siempre están ahí», dijo el estudiante graduado de Biología Física, Sintética y de Sistemas, y el autor principal Josh Atkinson.

«Si podemos activar y desactivar estas vías, podemos hacer que las células funcionen de manera más eficiente».

Los interruptores de metaloproteínas de Rice, llamados así por su contenido de hierro, son rápidos, dijo Silberg. La naturaleza típicamente controla el flujo de electrones usando mecanismos genéticos para controlar la producción de los «cables» de la proteína.

«Todo es transcripcional», dijo. «Incluso en una bacteria E. coli de rápido crecimiento , toma muchos minutos. Por el contrario, los interruptores de proteínas funcionan en una escala de tiempo de segundos».

Para realizar el cambio, que utilizan en una ruta de transferencia de electrones sintética, los investigadores necesitaron una proteína estable que pudiera dividirse de manera confiable a lo largo de su estructura peptídica.

Para permitir la inserción de fragmentos de proteínas que completen o rompan el circuito. Basaron el interruptor en la ferredoxina, una proteína común de hierro y azufre que media la transferencia de electrones en todos los dominios de la vida.

Atkinson construyó interruptores integrados en E. coli que pueden encenderse en presencia (o desactivarse en ausencia) de 4-hidroxitamoxifeno, un modulador del receptor de estrógeno.

Usado para combatir el cáncer de mama y otros tipos de cáncer, o por bisfenol A (BPA), un sintético Químico utilizado en plásticos.

Su bacteria E. coli es una cepa mutante que está programada para crecer solo en un medio de sulfato cuando se expresan todos los componentes de la cadena de transporte de electrones de ferredoxina, incluidas las proteínas donantes y aceptadoras de electrones.

De esa manera, las bacterias solo podrían crecer si los interruptores se encienden y transfieren electrones según lo planeado.

Silberg dijo que el descubrimiento debería llevar a interruptores diseñados a medida para muchas aplicaciones, incluido el contacto con dispositivos electrónicos externos.

«Es por eso que hemos estado tan entusiasmados con esta idea de la bioelectrónica, todo un campo que está surgiendo a medida que la biología sintética tiene más control sobre el diseño», dijo.

«Una vez que puedas estandarizar esto, hay todo tipo de cosas que podemos construir con celdas».

Esto podría incluir píldoras inteligentes que liberan medicamentos solo bajo demanda o detectores de biomas intestinales que informan sobre las condiciones. O tal vez circuitos eléctricos contenidos totalmente dentro de las células.

«Ya podemos mapear mucho de lo que hacen los ingenieros eléctricos con los condensadores y resistencias sobre el metabolismo, pero hasta ahora no ha habido interruptores», dijo Silberg.

Él sugirió que múltiples interruptores también podrían convertir una célula en un procesador biológico. «Entonces pudimos ver procesamiento digital paralelo en la celda», dijo. «Cambia nuestra forma de ver la biología».

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