Canlı bir hücrenin içinde, birçok önemli mesaj; proteinler arasındaki etkileşimler yoluyla iletilir. Bu sinyallerin doğru bir şekilde iletilmesi için, her bir protein; benzer herhangi bir protein ile istenmeyen çapraz iletişimden kaçınarak, sadece kendi özel ortağı ile etkileşime girmelidir.
Yeni bir MIT çalışması, hücrelerin bu proteinler arasındaki karışma riskini nasıl önleyebildiğine ışık tutuyor ve hücrelerin sinyal vermek için kullanmadığı çok sayıda olası protein etkileşiminin kaldığını gösteriyor. Bu, sentetik biyologların; hücrelerin mevcut sinyal yollarına müdahale etmeden hastalık teşhisi gibi uygulamalar için yapay devreler gibi hareket edebilecek yeni protein çiftleri üretebilecekleri anlamına gelir.
MIT Araştırmacı Conor McClune: “Yüksek verimli yaklaşımımızı kullanarak, belirli bir etkileşimin ortogonal sürümlerini oluşturarak, bu protein kompleksinin kaç farklı yalıtımlı sürümünün oluşturulabileceğini görmenize olanak sağlar.”
Bugün Nature dergisinde ortaya çıkan yeni makalede, araştırmacılar; yeni sinyal protein çiftleri ürettiler ve belirli bir bitki hormonuyla karşılaştıktan sonra sarı floresan üreten E. coli hücrelerini üreterek, yeni sinyalleri yeni çıktılara bağlamak için nasıl kullanılabileceklerini gösterdiler.
Yeni Kombinasyonlar
Bu çalışmada araştırmacılar; bakteri ve diğer bazı organizmalarda bulunan, İki Bileşenli Sinyalleme adı verilen bir tür sinyalleme yolu üzerine odaklanmıştır. Çok çeşitli iki bileşenli yolaklar; hücrelerin halihazırda sahip oldukları proteinleri işaret etmek için genleri çoğalttıkları ve daha sonra benzer proteinlerin ailelerini yaratarak onları değiştirdikleri bir süreçte gelişti.
Araştırmacı Laub: “Organizmaların bu az sayıdaki sinyal veren aileyi oldukça dramatik bir şekilde genişletmesi gerçekten avantajlı, ancak bu sistemler arasında birbirine çok yakın olan bir karışma riskiniz var. Bu, hücreler için ilginç bir zorluk haline geliyor: Bilgi akışının kalitesini nasıl koruyorsunuz ve belirli girdileri belirli çıktılara nasıl bağlıyorsunuz?”
Bu sinyal çiftlerinin çoğu, kinaz tarafından aktive edilen kinaz ve bunun substratı adı verilen bir enzimden oluşur. Bakteriler, farklı sinyalleri ileten onlarca hatta yüzlerce bu protein çiftine sahip olabilir.
Yaklaşık 10 yıl önce, Laub; bakteri kinazları ve bunların substratları arasındaki özgüllüğün, ortak proteinlerin her birinde sadece beş amino asit tarafından belirlendiğini gösterdi. Bu, hücrelerin halihazırda kullanılmış olup olmadığına veya mevcut yollara müdahale etmeyecek olası tüm benzersiz kombinasyonların kullanılmaya başlayıp yaklaşmadığı sorusunu gündeme getirdi.
Diğer laboratuvarlardan önceki bazı araştırmalar; birbiriyle karışmayacak olası etkileşimlerin sayısının tükenebileceğini ileri sürmüştü, ancak kanıtlar kesin değildi. MIT araştırmacıları; PhoQ ve PhoP olarak bilinen bir çift E. coli sinyal proteini ile başladıkları ve daha sonra spesifikliklerini belirleyen bölgelerde mutasyonlara neden oldukları sistematik bir yaklaşım benimsemeye karar verdiler.
Bu, 10.000’den fazla proteini verdi. Araştırmacılar; her bir kinazı, substratlardan herhangi birini aktive edip etmediklerini görmek için test ettiler ve ana proteinler; diğer yeni çiftler veya E-coli’de bulunan başka herhangi bir tip kinaz-substrat ailesi değil, birbirleriyle etkileşime giren yaklaşık 200 çift tanımladılar.
Şimdi bazı protein çiftlerinin hücreler tarafından kullanılmasına yol açan evrimsel tarihi yeniden oluşturmayı denemekte, diğer birçok olası kombinasyon doğal olarak gelişmemiştir.
Sentetik Devreler
Araştırmacılar, bu çalışmanın ayrıca diğer hücresel proteinlerle karışmayan protein çiftlerine dayanan yeni sentetik biyoloji devreleri oluşturmak için yeni bir strateji sunduğunu söylüyor. Bu olasılığı göstermek için, yeni protein çiftlerinden birini aldılar ve kinazı, trans-zeatin adı verilen bir bitki hormonu tarafından aktive edilecek şekilde değiştirdiler ve substrat, kinaz aktive edildiğinde sararmayacak şekilde tasarladılar.
Voigt: “Bu, hücreye sentetik bir devre koymanın zorluklarından birinin üstesinden gelebileceğimizi gösteriyor, yani hücre zaten sinyal proteinleriyle doludur. Bir sensör veya devreyi türler arasında hareket ettirmeye çalıştığımızda, en büyük sorunlardan biri zaten orada bulunan yollara müdahale etmesidir.”
Bu yeni yaklaşım için olası bir uygulama; diğer mikropların varlığını tespit eden devrelerin tasarlanmasıdır. Bu tür devreler, bulaşıcı hastalıkların teşhisine yardımcı olabilecek probiyotik bakteriler oluşturmak için faydalı olabilir.
İnsan hücrelerinde kullanım için uyarlanmışsa, bu yaklaşım aynı zamanda araştırmacıların insan T hücrelerini, kanser hücrelerini yok etmek için programlamanın yeni yollarını tasarlamalarına yardımcı olabilir. CAR-T hücre tedavisi olarak bilinen bu terapi türü; bazı kan kanserlerini tedavi etmek için onaylanmıştır ve diğer kanserler için de geliştirilmektedir.