Wissenschaftler der Pennsylvania State University in den USA haben den ersten proteinbasierten Nanocomputer-Wirkstoff entwickelt, der die Grundlage für die nächste Generation der Zelltherapie bilden könnte. Die Ergebnisse der Studie werden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Es ist bekannt, dass Proteinsysteme im Inneren der Zelle komplexe Rechenoperationen durchführen, um Signale aus der äußeren Umgebung zu verarbeiten. Um das Verhalten der Zelle zu ändern, wurde im Rahmen der synthetischen Biologie ein Ansatz vorgeschlagen, der die Einführung von Protein-Logikgattern in die Zelle beinhaltet – molekulare Schaltkreise, die logische Operationen ausführen. Ein einzelnes Protein, das sowohl schnell auf Reize reagieren als auch Output erzeugen kann, wird als Nanocomputer-Agent bezeichnet.

Die Forscher konstruierten den Nanocomputing-Agenten, indem sie zwei sensorische Domänen – Regionen von Proteinen, die auf bestimmte Reize reagieren – in das menschliche Enzym Src-Kinase integrierten. Einer von ihnen – uniRapR – reagiert auf Rapamycin und der andere – LOV2 – auf blaues Licht. Das resultierende Proteingerät fungiert als kombinatorischer Logikschaltkreis: Rapamycin fördert die Bewegung des Proteins zu fokalen Kontakten, und die blaue Farbe hat den gegenteiligen Effekt.

Fokale Verbindungen sind eine Ansammlung von Integrinrezeptoren auf der Zellmembran, die die Zelle mit extrazellulären Gewebestrukturen verbinden. Durch die Aktivierung von Src mit Rapamycin reduzierten die Wissenschaftler die Zellmigration und änderten ihre Ausrichtung, wodurch sie sich entlang der Kollagen-Nanofasern innerhalb der Zellkultur ausrichteten. Wenn in diesem Fall Rapamycin zuerst erkannt wird, nimmt die Zelle eine Ausrichtung ein, werden die Reize jedoch in umgekehrter Reihenfolge empfangen, ist die Ausrichtung unterschiedlich. Somit ist der Nanocomputer-Agent eine nichtkommutative Logikschaltung.

Die Ergebnisse deuten auf die Möglichkeit hin, Proteinwirkstoffe zu entwickeln, die eine große Anzahl von Eingangssignalen wahrnehmen. Mögliche Inputs können physikalische oder chemische Reize sein, und Outputs können Veränderungen im Zellverhalten sein, wie z. B. Zellorientierung, Migration, Veränderungen in der Genexpression und Zytotoxizität von Immunzellen gegenüber Krebszellen.