Team:Slovenia/HomeSlo

Domača stran Projekt Znanstveni povzetek Preprost povzetek Dosežki Ideja

Zaznavanje dotika s svetlobo: v sesalske celice smo smo vnesli genski zapis za bakterijski ionski kanalček MscS in plinske mehurčke (GvpA in GcpC), ki ojačajo odziv celic na mehanski stres ter od kalcija odvisni cepljeni luciferazni poročevalec, ki omogoči oddajanje svetlobe. Simbol iGEM smo narisali s stekleno palčko površino celic in posneli oddano svetlobo za vsako črko posebej.

  Sonicell

Pri številnih boleznih, kot na primer diabetes, potrebujemo za zdravljenje sistem, ki je sposoben dostaviti zdravila hitro, nadzorovano in neinvazivno. Celice spremenjene tako, da lahko same tvorijo potrebna zdravila, predstavljajo potencialno rešitev tega problema. Vendar večina že razvitih celičnih sistemov ni primernih za uporabo v terapiji, saj so zaradi vezanosti sistema na prepisovanje in prevajanje genetske informacije prepočasni. Projekt Sonicell predstavlja vznemirljive novosti v sintezni biologiji. Vsak od njegovih sestavnih delov se osredotoča na hiter celični odziv na zunanje dražljaje, kot so zvok, svetloba ali kemični signali. Sistem je sestavljen iz treh osnovnih komponent. Prva komponenta omogoča povečano občutljivost na ultrazvok in druge mehanične dražljaje, ki jih zaznava od kalcija odvisni poročevalec. Druga komponenta integrira več vhodnih signalov v signalno pot sestavljeno iz ortogonalnih proteaz. Tretja komponenta pa je oblikovana tako, da aktivirane proteaze odcepijo signalni peptid in s tem omogočijo sproščanje tarčnih proteinov iz endoplazemskega retikuluma. Spodnja slika je interaktivna in prikazuje delovanje posameznih delov sistema.

Izboljšana občutljivost celic na mehanske dražljaje:
Občutljivost sesalskih celic na ultrazvok in druge mehanske dražljaje smo povečali z uvedbo mehanosenzitivnega ionskega kanalčka in/ali z izražanjem bekterijskih proteinskih plinskih veziklov v sesalskih celicah. Vdor kalcija skozi kanalčke zazna kompleks kalmodulina in peptida M13, kar zaznamo kot povišanje luminiscence (kar smo uporabili tudi pri risanju po celicah) ali kot sestavljanje cepljene proteaze.

Signaliziranje in procesiranje
informacij na osnovi proteaz:
Kombinacije proteaz s specifičnimi tarčnimi mesti cepitve omogočajo aktivacijo poročevalca ali druge proteaze, kar je osnova za oblikovanje novega tipa hitre signalne poti in tvorbo logičnih funkcij.

Ortogonalne proteaze s specifičnim cepitvenim mestom
Zbirko ortogonalnih proteaz, ki prepoznajo različne tarče smo pripravili kot cepljene proteine, katerih aktivnost lahko induciramo s stimulacijo z zunanjimi signali kot so svetloba ali kemikalije.

S proteazami posredovano hitro
izločanje terapevtskih proteinov:
Izločanje proteina iz celice sproži proteolitična cepitev, zaradi katere se s tarčnega proteina odstrani peptidno zaporedje, ki sicer omogoča zadrževanje proteina v endoplazemskem retikulumu. Odcepitev tega zaporedja omogoči prenos proteina iz endoplazemskega retikuluma v Golgijev aparat, kjer ga cepi naravno prisotna furinska proteaza. Sledi sproščanje proteina iz celice.

  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.

  Preprost 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.

  Dosežki

novo v znanosti

novo na tekmovanju iGEM

• Z izražanjem za kalcij prepustnih kanalčkov ter s funkcionalno rekonstitucijo bakterijskih proteinskih komponent (GvpA in GvpC), ki tvorita stisljive plinske mehurčke, smo povečali občutljivost sesalskih celic na ultrazvok in mehanske dražljaje.
• Sami smo naredili napravo za generiranje ultrazvoka, ki je namenjena stimulaciji sesalskih celic.
• V sesalskih celicah smo izrazili mehanosenzitiven senzor, ki je občutljiv na povišano koncentracijo kalcija in omogoča hitro celično reakcijo z oddajanjem svetlobe ob vzdraženju z dotikom ali ultrazvokom. Opisani senzor smo izkoristili tudi za risanje po celicah.
• Ciklično luciferazo, ki se aktivira ob proteolitični cepitvi, smo preizkusili, opisali in vključili v zbirko iGEM.
• Načrtovali in pripravili smo zbirko štirih ortogonalnih proteaz, od katerih je vsaka specifična za svoj substrat, in jih preizkusili kot cepljene proteine v sesalskih celicah.
• Na osnovi ortogonalnih proteaz smo oblikovali in eksperimentalno preizkusili signalno pot, ki nam omogoča procesiranje več vhodnih signalov hkrati.
• Proteolizo aminokislinskega zaporedja, ki omogoča zadrževanje proteina v endoplazemskem retikulumu, smo uporabili za sprožitev izločanja proteinov iz celic, kar je potrebno za hitre terapevtske odzive, kot je na primer sproščanje hormonov ali nevroaktivnih peptidov.