Znanstveni povzetek

Sintezna biologija odpira nove in vznemirljive načine nadzora nad celicami, ki obetajo številne možnosti za uporabo, od različnih industrijskih procesov pa vse do celične terapije. Večina obstoječih celičnih vezij temelji na uravnavanju prepisovanja genov, kar je prepočasen postopek za večino terapevtskih ali diagnostičnih namenov, kot sta dostava inzulina ali detekcija metabolitov. Zdravniki in raziskovalci, s katerimi smo se posvetovali, so poudarili pomembnost hitrega in nadzorovanega odziva, prav tako pa je večina izrazila željo po sistemu za neinvazivno stimulacijo izbranega tkiva.

Svetloba je uporabno orodje za hitro in prostorsko omejeno stimulacijo celic. Ultrazvok prav tako kot svetloba omogoča hiter celični odziv, hkrati pa lahko prodre globlje v tkivo. Z uvedbo bakterijskih ali sesalskih mehanosenzitivnih kanalčkov smo povečali občutljivost celic na ultrazvok. Odziv na ultrazvok in dotik smo dodatno povečali tudi z izražanjem bakterijskih proteinov GvpA in GvpC, ki tvorita stisljive plinske mehurčke. Mehanosenzitivnost smo zaznali s poročevalcem, ki je inducibilen s kalcijem. Sestavljen je iz kalmodulina, peptida M-13 in cepljene luciferaze. Ta sistem nam je omogočal tudi risanje po celicah, kar smo izvedli v sodelovanju z umetnico iz Argentine.

Za hiter odziv celic na več dražljajev hkrati smo oblikovali signalno pot na osnovi proteolize. Načrtovali, pripravili in preizkusili smo štiri cepljene ortogonalne proteaze, pri čemer vsaka od njih prepozna specifično cepitveno mesto dolgo 7 aminokislinskih ostankov. Na osnovi cepitve dimerizacijske domene, ki jo sestavljata oviti vijačnici, smo v sesalskih celicah dokazali uporabnost logičnih vrat, ki so odvisna od proteolize. S povzročitvijo proteolitične odcepitve zadrževalnega aminokislinskega zaporedja s tarčnega proteina so vhodni signali sprožili izločanje proteinov iz celice, s čimer smo se izognili vmesnemu (počasnejšemu) koraku inducirane proteinske sinteze.

Menimo, da smo s projektom Sonicell dosegli več temeljnih premikov, ki bodo gotovo doprinesli k razvoju sintezne biologije tudi po tekmovanju iGEM ter k napredku terapevtskih, diagnostičnih in drugih aplikacij v dobrobit človeštva.

  Poljudnoznanstveni povzetek

S pomočjo sintezne biologije želimo celice spremeniti tako, da sledijo našim navodilom in delajo, kar od njih potrebujemo, na primer izdelujejo zdravila. V našem projektu smo celice spremenili tako, da se odzivajo na ultrazvok ali dotik. Ob dotiku tako spremenjene celice zasvetijo, kar lahko posnamemo s kamero. Seveda želimo, da se celice na naše ukaze odzovejo karseda hitro, ker si včasih ne moremo privoščiti ene ure čakanja, preden celice izdelajo in izločijo zdravilo. Zato smo naše celice opremili z novim načinom obdelovanja informacij, ki temelji na kombinaciji več encimov, ki lahko prerežejo točno določene celične beljakovine in s tem spremenijo njihovo funkcijo. Nazadnje lahko novi encimi odrežejo tudi sidro, s katerim so zdravila pripeta v celico, ki jih je naredila, in tako povzročijo sproščanje teh zdravil v okolico. Naše celice se ne odzivajo samo na dotik in ultrazvok, temveč jim lahko s kombinacijo dotika, zvočnih, svetlobnih in kemičnih signalov dajemo različna navodila. Želimo si, da bi na podoben način lahko spremenili celice v možganih, s čemer bi lahko pomagali bolnikom s Parkinsonovo boleznijo brez potrebe po operaciji, ali da bi sprožili hitro izločanje inzulina, kar bi pomagalo osebam z diabetesom.