Des scientifiques de l'Université Rice ont développé des commutateurs de protéines synthétiques pour contrôler le flux d'électrons.

La preuve de concept, les protéines contenant des métaux fabriquées dans le laboratoire Rice du biologiste synthétique Joff Silberg sont exprimées dans les cellules lors de l'introduction d'un produit chimique et sont fonctionnellement activées par un autre produit chimique. Si les protéines ont été placées dans la cellule, ils peuvent simplement être activés et désactivés.

"Ce n'est pas une métaphore pour un interrupteur, c'est un interrupteur électrique littéral construit à partir d'une protéine, " a déclaré Silberg.

Les protéines pourraient faciliter la bioélectronique de nouvelle génération, y compris des circuits biologiques complets dans les cellules qui imitent leurs homologues électroniques. Les applications possibles incluent des capteurs vivants, des voies métaboliques contrôlées électroniquement pour la synthèse chimique et des pilules actives qui détectent leur environnement et libèrent des médicaments uniquement en cas de besoin.

L'œuvre apparaît dans Nature Chimie Biologie "La biologie est vraiment bonne pour détecter les molécules, " dit Silberg, professeur de biosciences et de bio-ingénierie. "C'est une chose incroyable. Pensez à la complexité de la cellule, et comment évoluent les protéines qui peuvent répondre à une seule invite dans une mer d'informations. Nous voulons tirer parti de cette capacité exquise pour construire des biomolécules plus élaborées et les utiliser pour développer des technologies de biologie synthétique utiles. »

L'équipe Rice tire parti de ces capacités innées. "Les protéines naturelles qui déplacent plus ou moins les électrons agissent comme des fils toujours là, " a déclaré Systèmes, Synthétique, et étudiant diplômé en biologie physique et auteur principal Josh Atkinson. "Si nous pouvons activer et désactiver ces voies, nous pouvons faire fonctionner les cellules plus efficacement."

Les commutateurs métalloprotéiques du riz, ainsi appelés pour leur teneur en fer, sont rapides, dit Silberg. La nature contrôle généralement le flux d'électrons en utilisant des mécanismes génétiques pour contrôler la production des « fils » protéiques.

"Tout est transcriptionnel, " a-t-il dit. " Même dans un pays à croissance rapide E. coli bactéries, cela prend plusieurs minutes. Par contre, les commutateurs protéiques fonctionnent sur une échelle de temps de quelques secondes."

Pour effectuer le changement, qu'ils utilisent dans une voie de transfert d'électrons synthétique, les chercheurs avaient besoin d'une protéine stable qui pourrait être divisée de manière fiable le long de son squelette peptidique pour permettre l'insertion de fragments de protéines qui complètent ou rompent le circuit. Ils ont basé le changement sur la ferredoxine, une protéine fer-soufre commune qui médie le transfert d'électrons dans tous les domaines de la vie.

Commutateurs intégrés à Atkinson E. coli qui peut être activé en présence (ou désactivé en l'absence) de 4-hydroxytamoxifène, un modulateur des récepteurs des œstrogènes utilisé pour lutter contre le cancer du sein et d'autres cancers, ou par le bisphénol A (BPA), un produit chimique synthétique utilisé dans les plastiques.

Leur E. coli La bactérie est une souche mutante qui est programmée pour se développer uniquement dans un milieu sulfate lorsque tous les composants de la chaîne de transport d'électrons de la ferredoxine, y compris les protéines donneuses et acceptrices d'électrons, sont exprimés. De cette façon, les bactéries ne pourraient se développer que si les interrupteurs s'allument et transfèrent les électrons comme prévu.

Silberg a déclaré que la découverte devrait conduire à des commutateurs conçus sur mesure pour de nombreuses applications, y compris le contact avec des appareils électroniques externes. "C'est pourquoi nous avons été si enthousiastes à propos de cette idée de la bioélectronique, tout un domaine qui émerge à mesure que la biologie synthétique prend plus de contrôle sur la conception, " a-t-il dit. " Une fois que vous pourrez standardiser cela, il y a toutes sortes de choses que nous pouvons construire avec des cellules."

Cela pourrait inclure des pilules intelligentes qui libèrent des médicaments uniquement sur demande, ou des détecteurs de biome intestinal qui rendent compte des conditions. Ou peut-être des circuits électriques contenus entièrement dans des cellules.

« Nous pouvons déjà cartographier une grande partie de ce que les ingénieurs électriciens font avec les condensateurs et les résistances sur le métabolisme, mais jusqu'à maintenant, il n'y a pas eu d'interrupteurs, " a déclaré Silberg.

Il a suggéré que plusieurs commutateurs pourraient également transformer une cellule en un processeur biologique. « Ensuite, nous avons pu voir le traitement numérique parallèle dans la cellule, " a-t-il dit. " Cela change la façon dont nous regardons la biologie. "