"Bilim": Yapay proteinleri, hücreleri bilgisayara dönüştürmek için mantık kapısı devreleri olarak kullanın
Protein "ve kapılar" içeren hücrelerin kavramsal bir diyagramı. Bu mantık kapıları, çeşitli sinyalleri algılamak için tasarlanmıştır. Sinyaller koşulları karşıladığında, hücreler floresans yayar.
Makale Akademik Başlıklar
2 Nisan'da, Washington Üniversitesi'nde biyokimya profesörü ve protein tasarımı dekanı olan David Baker liderliğindeki bir araştırma ekibi, Science dergisinde bir rapor yayınlayarak, Moleküler mantık kapısı işlevine sahip yapay bir protein yarattı.
Devrelerdeki elektronik bileşenler gibi bu "akıllı" proteinler, "biyolojik devreler" tasarlamak ve hücrelerdeki genlerin açılıp kapanmasını kontrol etmek gibi karmaşık sistem davranışlarını programlamak ve kontrol etmek için kullanılabilir.
Araştırmacılar "akıllı" proteinleri kullanarak Entegre devrelerde DEĞİL, AND, OR, NAND, NOR, XNOR'a benzer tasarlanmış mantık geçitleri Kullanılan bileşenler ultra stabil proteinler olduğu için ek hücresel mekanizmalara gerek yoktur.Bu mantık kapıları hücre içinde ve dışında çeşitli koşullar altında çalışabilir.
Bu çalışmada, araştırmacılar ayrıca bu mantık kapılarının hücresiz özütlerde, maya hücrelerinde ve T hücrelerinde işlevlerini doğruladılar ve gelecekte kanser hücresi tedavisini iyileştirmesi beklenen insan T hücrelerinde gen ekspresyonunun düzenlenmesini başarıyla gerçekleştirdiler. -T tedavisinin dayanıklılığı ve güvenliği.
"Biyomühendisler daha önce mantık kapıları oluşturmak için DNA, RNA ve değiştirilmiş doğal proteinler kullandılar, ancak bunlar ideal değil. Mantık kapılarımız, daha modüler ve evrensel olan ve biyomedikal alanda yaygın olarak kullanılabilen yeni tasarlanmış proteinlerden yapılmıştır. Makalenin ilgili yazarı, Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde biyokimya profesörü ve Protein Tasarım Enstitüsü müdürü David Baker.
Bahsetmeye değer, David Baker, son yıllarda Nobel Ödülü için popüler bir aday olarak kabul edildi. Washington Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırma yapan öğrencisi Chen Zibo, aynı zamanda bugün bilimdeki en seçkin genç yeteneklerden biridir.
Doktora öğrencisi döneminde, protein tasarım endüstrisinin liderleri Dr. David Baker ve Dr. Frank DiMaio'nun rehberliğinde Chen Zibo, programlanabilir ve modüler etkileşim proteinlerini sıfırdan tasarlamaya başladı.
2019 yılında 28 yaşındaki Chen Zibo, programlanabilir ve modüler yapay protein tasarımıyla Science Magazine ve SciLifeLab tarafından 2019 Genç Bilim İnsanı Ödülü'nü kazandı. Dünya çapında her yıl bu onuru alan sadece dört kişi var! Aynı yıl Chen Zibo, Massachusetts Institute of Technology Review tarafından Çin'de "35 Yaş Altı 35 Teknolojik Yenilik" ten biri olarak seçildi.
Bu makalenin ilk yazarı Chen Zibo, Apollo 11 kılavuz bilgisayarının tamamı elektronik NOR kapılarından (NOR) oluşuyor. Protein bazlı bir NOR geçidini başarıyla ürettik. NASAnın kılavuz bilgisayarları kadar karmaşık olmasalar da, karmaşık biyolojik devrelerin sıfırdan tasarlanmasında çok önemli bir adımdır. . "
Protein mantık kapısı
İster elektronik bir cihaz ister biyolojik bir bileşen olsun, mantık kapıları sinyalleri önceden belirlenmiş bir şekilde algılayabilir ve yanıtlayabilir. En basit "VE geçidi", bir giriş ve başka bir giriş aynı anda mevcut olduğunda çıktı üretmektir. Örneğin, klavyede yazarken Shift tuşuna ve a tuşuna basmak büyük A harfini üretecektir.
Biyolojik bileşenlerden yapılan mantık kapıları, bu kontrol sürecini biyolojik mühendislik sistemlerine dahil etmek için tasarlanmıştır. Canlı hücrelerde uygun mantık kapısı programlarını çalıştırmak, örneğin iki farklı molekül var olduğunda - veya biri var ama diğeri olmadığında - hücrenin bir geni aktive etmek veya inhibe etmek gibi belirli çıktılar üretmesine neden olabilir.
Hepimizin bildiği gibi protein, insan vücudundaki tüm hücrelerin ve dokuların önemli bir bileşeni ve tüm yaşam sistemlerinin maddi temelidir ve beyinde bağışıklık tepkisinin tetiklenmesinden düşünmeye kadar her fizyolojik süreçle yakından ilgilidir. Genleri, yaşamı oluşturan 0 ve 1 ile karşılaştırırsanız, o zaman protein, yaşamı oluşturan program kodudur.
Karmaşık hücre sinyal yollarında ve davranışsal karar verme süreçlerinde, protein-protein etkileşimleri çok önemlidir.Bu nedenle, protein-protein etkileşimlerini kontrol etmek, biyolojik devrelerin tasarlanmasında her zaman temel bir zorluk olmuştur.
Bununla birlikte, biyolojik mantık devreleri yaratmaya yönelik önceki çabalar, genellikle DNA, transkripsiyon veya RNA seviyesinde kontrole odaklandı. Son yıllarda doğal sinyal yollarının yeniden bağlanmasıyla protein temelli biyolojik devreler doğmuş olsa da, bu yöntemlerin güvenebileceği sınırlı bileşenler, biyolojik devrelerin modülerliğini ve ölçeklenebilirliğini de sınırlamaktadır.
Protein "ve kapılar" içeren hücrelerin kavramsal bir diyagramı. Bu mantık kapıları, çeşitli sinyalleri algılamak için tasarlanmıştır. Sinyaller koşulları karşıladığında, hücreler floresans yayar.
Chen Zibo ve diğerleri tarafından bildirilen mantık kapısı sistemi tasarımı, de novo protein tasarımından yararlandı. De novo protein tasarımı, protein yapısının belirlenmesine ve moleküler modellerin oluşturulmasına dayanır.Protein yapısı ve işlevi arasındaki ilişkiye göre, çeşitli disiplinlerin teknik yöntemleri, doğal proteinlerden daha iyi performansa sahip yeni proteinleri yapay olarak tasarlamak için kapsamlı bir şekilde kullanılır.
Proteine dayalı bir mantık kapısı devresi tasarlanırsa ve herhangi bir protein ile protein arasındaki etkileşim ayarlanabilirse, hücre içindeki ve dışındaki protein bazlı kontrol sistemlerine kapıyı açabilecek, bilgisayar programlaması gibi moleküler düzeyde yaşamın kontrolünü gerçekleştirebilecek ve gelecekteki ilaç tasarımı ve sentezi için Biyoloji çok önemlidir.
David Baker'ın laboratuvarı daha önce protein de novo tasarımıyla binlerce farklı protein tasarlamıştı.Bilim adamları tarafından tahmin edilen şekilleri sergiliyorlar ve doğada bulunan proteinlerden çok farklılar. Protein de novo tasarım teknolojisinin gelişimi ayrıca derin bilimsel ilerleme de getirdi Protein, doğa yerine insanlar tarafından tasarlanabilir.
David Bake
"İstediğimizi elde etmek için artık sıfırdan proteinler oluşturabiliriz." Dr. David Baker bir keresinde söyledi.
Bu nedenle, yapay olarak tasarlanmış "akıllı" proteinler aracılığıyla araştırmacılar, daha karmaşık protein mantık geçit devreleri oluşturabilirler. Teoride, protein etkileşimleriyle düzenlenebilen herhangi bir işlev, protein mantık kapılarının kontrolü altına yerleştirilebilir.
Çeşitli protein tabanlı mantık kapıları
Ve bu protein bazlı biyolojik döngü, Bilgisayar devreleri gibi, modülerlik, ölçeklenebilirlik ve birleştirilebilirlik avantajlarına sahiptir. Araştırmacılar, kontrol öğelerinin modülerliğinin ve sinerjisinin sıfırdan sınırsız sayıda protein bileşeni tasarlama becerisiyle birleştiğinde, çok çeşitli biyolojik işlevler üzerinde karmaşık protein translasyon sonrası kontrol mantığı tasarlamayı da mümkün kıldığına inanıyorlar.
Devrelerde "Harmony Gate" ve Protein "Harmony Gate"
Ek olarak, araştırmacılar, tasarlanan protein mantık kapısı devresi aracılığıyla hücrelerde T hücre yetmezliği ile ilgili genlerin ifadesini başarıyla düzenlediler.
Tasarlanmış T hücre terapisi (CAR-T) şu anda en umut verici kanser tedavisi olarak kabul edilmektedir, ancak katı tümörler üzerindeki terapötik etkisi, T hücresi tükenmesi, yani genetik olarak modifiye edilmiş T hücreleri ile bir dereceye kadar sınırlıdır. Hücreler ancak belirli bir süre savaşabilir.
"Daha uzun T hücrelerini yaşamaya programlanmış olmak, hastalar için daha etkili kişiselleştirilmiş tedavi anlamına gelir." Chen Zibo dedi.
Hücre Programlama Çağı
Şu anda kullandığımız bilgisayarlar, çipler ve diğer malzemelerle birleştirilmiş fiziksel makinelerdir. Son yıllarda genetik teknoloji ve moleküler biyolojinin gelişmesiyle birlikte, Biyomühendisler, hücreleri "yaşayan" bir bilgisayar yapacak şekilde programlamaya çalışıyorlar , Ve yeni bir saha-sentetik biyoloji doğurdu.
Sentetik biyolojide bilim adamları, elektrik mühendisliği kavramını taklit ederler ve "biyolojik bileşenler", yani modüler ve programlanabilir DNA, RNA fragmanları veya proteinler önerirler. Farklı biyolojik bileşenlerin bir araya getirilmesiyle hücre fonksiyonlarının düzenlenmesi, değiştirilmesi ve oluşturulması bir bilgisayar programı gibi gerçekleştirilebilir. bu nedenle Sentetik biyolojinin amacı, yeni yapay yaşam formlarını bir araya getirmek için hücreleri donanım ve genleri yazılım olarak kullanarak bilgisayarların çalışma prensiplerini kullanmaktır.
"Sentetik biyoloji" sadece son yıllarda önerilen yeni bir konu olmasına rağmen, pek çok sevindirici sonuç elde etti. Bazı üniversite ve kurumların laboratuvarlarında üst düzey sentetik biyologlar çeşitli hücre programlama ve sentetik biyolojik araştırmalar yürütmekte, laboratuvarda yapılan sentetik DNA'yı doğada var olmayan virüs ve virüsleri oluşturmak için kullanmaktadırlar. Bakteriler, "yapay yaşamın" gerçek gerçekleşmesidir.
Dönüştürülmüş veya yaratılmış bu canlılara, tümörleri tespit etmek ve yok etmek için kan dolaşımına girmek ve sera gazlarını yok etmek gibi insan sağlığına faydalı çeşitli görevleri yerine getirmeleri de emanet edilmiştir.
abartmadan dedi, Sentetik biyoloji, biyolojik bilimlerin teorik araştırmalarında önemli bir gelişmedir ve insanların organizmaların evrimsel sürecini ve yapısal mekanizmasını "Tanrı perspektifinden" anlamalarını sağlar.
1953'te DNA'nın çift sarmal yapısının keşfi ilk biyoteknoloji devrimi olarak adlandırılırsa, çünkü bu keşif yaşam bilimi araştırmalarını moleküler genetik ve moleküler biyoloji çağına getirdi, o zaman insan genom dizilemesinin 2003'teki başarısı göze çarpıyor. İkinci biyoteknoloji devriminin gelişiyle, o zamandan beri, genetik bilgiyi geniş ölçekte "okuyabildik" ve yaşam bilimleri araştırmaları da omik ve sistem biyolojisi çağına girdi.
Sistem biyolojisi temelinde, sentetik biyoloji, mevcut organizmaları değiştirmek ve hatta yenilerini oluşturmak için sistem biyolojisine dayanan gen sentezi, düzenleme, ağ düzenlemesi vb. Gibi yeni teknolojileri kullanır. Doğa anlayışında niteliksel bir değişim yaşanmıştır, dolayısıyla, Sentetik biyoloji, üçüncü biyoteknoloji devrimi olarak da adlandırılır.
Chen Zibo'nun dediği gibi, "Bir bilim adamının misyonu, onu daha iyi bir dünya yapmaktır . Chen Zibo ve diğerleri, proteinlerin yapay tasarımından programlanmış yaşama ulaşmak için hücre işlevlerinin tasarlanmasında bu proteinlerin kullanımına kadar, daha önce bulunmayan ve insanlığa fayda sağlayabilecek yeni teknolojiler yaratıyor. Ayrıca Chen Zibo, proteinleri sıfırdan tasarlamanın birçok yönden yararlanabileceğine inanıyor. Uygulaması sadece hayal gücümüzle sınırlıdır.
Referans malzemeleri:
https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78
https://www.ipd.uw.edu/2020/04/de-novo-design-of-protein-logic-gates/
https://www.discovermagazine.com/technology/meet-the-biochemist-engineering-proteins-from-scratch
