سلول‌های هوشمند انقلاب جدید در درمان بیماری‌ها

محققان دانشگاه رایس کیت جدیدی برای طراحی مدار‌های مصنوعی تشخیص و پاسخ در سلول‌های انسانی توسعه دادند

به گزارش ساینس دیلی، پژوهشگران مهندسی زیستی دانشگاه رایس موفق به ایجاد یک کیت ساخت پیشرفته برای طراحی مدار‌های زیستی تشخیص و پاسخ در سلول‌های انسانی شدند. این پژوهش که در مجله Science منتشر شده، گامی مهم در حوزه زیست‌شناسی سنتزی محسوب می‌شود و می‌تواند به تحول درمان بیماری‌های پیچیده‌ای مانند سرطان و اختلالات خودایمنی منجر شود.

سلول‌هایی با قابلیت تصمیم‌گیری و درمان آنی

ژیاویو یانگ، دانشجوی دکتری برنامه زیست‌شناسی سامانه‌ای، سنتزی و فیزیکی دانشگاه رایس و نویسنده اصلی این پژوهش، توضیح داد: «تصور کنید پردازنده‌های کوچکی داخل سلول‌ها ساخته شده از پروتئین‌هایی که می‌توانند در برابر سیگنال‌های خاصی مانند التهاب، نشانگر‌های رشد تومور یا سطح قند خون واکنش نشان دهند.» او افزود: «این پژوهش ما را به ساخت "سلول‌های هوشمند" که قادر به شناسایی علائم بیماری و آزادسازی درمان‌های سفارشی در پاسخ به آنها هستند، نزدیک‌تر می‌کند.»

این روش جدید برای طراحی مدار‌های مصنوعی سلولی بر اساس فسفریلاسیون کار می‌کند؛ فرایندی طبیعی که سلول‌ها از آن برای پاسخ به محیط خود استفاده می‌کنند و شامل افزودن یک گروه فسفات به یک پروتئین است. فسفریلاسیون نقش کلیدی در طیف وسیعی از عملکرد‌های سلولی دارد و به تبدیل سیگنال‌های خارجی به پاسخ‌های درون‌سلولی کمک می‌کند، مانند حرکت سلول، ترشح مواد، واکنش به عوامل بیماری‌زا یا بیان ژن.

در موجودات چندسلولی، سیگنال‌دهی مبتنی بر فسفریلاسیون معمولاً به صورت یک زنجیره چندمرحله‌ای رخ می‌دهد، مشابه افتادن متوالی دومینوها. در تلاش‌های پیشین برای استفاده از این مکانیسم در سلول‌های انسانی، محققان مسیر‌های سیگنال‌دهی طبیعی را مهندسی مجدد کرده بودند، اما پیچیدگی این مسیرها، کار را دشوار می‌کرد و کاربرد‌های آن محدود باقی می‌ماند.

دیدگاهی جدید در طراحی مدار‌های زیستی

پژوهشگران دانشگاه رایس با تغییر دیدگاه خود توانستند نوآوری قابل توجهی در مهندسی سلول‌های هوشمند مبتنی بر فسفریلاسیون ایجاد کنند. آنها دریافتند که فرایند فسفریلاسیون را می‌توان به عنوان مجموعه‌ای از واحد‌های مجزا در نظر گرفت و این واحد‌ها را به روش‌های جدیدی به هم متصل کرد تا مسیر‌های سیگنال‌دهی کاملاً جدیدی ایجاد شوند.

کالب بشور، استادیار مهندسی زیستی و علوم زیستی و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت: «این کشف باعث گسترش قابل توجه فضای طراحی مدار‌های سیگنال‌دهی شد.» او افزود: «مشخص شد که چرخه‌های فسفریلاسیون نه‌تنها به هم مرتبط هستند، بلکه می‌توانند به روش‌های جدیدی به هم متصل شوند؛ چیزی که پیش‌تر از آن مطمئن نبودیم.»

طراحی جدید محققان، آنها را قادر ساخت تا مدار‌های فسفریلاسیون مصنوعی ایجاد کنند که علاوه بر قابل تنظیم بودن، بدون تأثیر بر زنده‌مانی یا نرخ رشد سلول‌ها، به طور موازی با فرایند‌های طبیعی سلول‌ها کار کنند.

یانگ نیز در این باره گفت: «ما انتظار نداشتیم که مدار‌های سیگنال‌دهی مصنوعی ما که کاملاً از اجزای پروتئینی مهندسی‌شده ساخته شده‌اند، با سرعت و کارایی مشابه مسیر‌های طبیعی در سلول‌های انسانی عمل کنند. اما نتایج ما را شگفت‌زده کرد.»

مزایای رویکرد ماژولار در طراحی مدار‌های سلولی

یکی از مزایای کلیدی این روش جدید طراحی مدار‌های سلولی، توانایی آن در تقویت سیگنال‌های ورودی ضعیف به خروجی‌های قابل‌مشاهده در سطح سیستم است. مشاهدات تجربی این پدیده با پیش‌بینی‌های مدل‌سازی کمی تیم تحقیقاتی مطابقت داشت، که نشان‌دهنده ارزش بالای این چارچوب جدید به عنوان ابزاری بنیادی در زیست‌شناسی سنتزی است.

همچنین، فسفریلاسیون در عرض چند ثانیه یا دقیقه رخ می‌دهد، بنابراین مدار‌های مصنوعی فسفریلاسیون می‌توانند برای واکنش سریع به رویداد‌های فیزیولوژیکی برنامه‌ریزی شوند. در مقابل، بسیاری از مدار‌های مصنوعی پیشین بر اساس فرایند‌های مولکولی دیگر، مانند رونویسی ژن، طراحی شده بودند که فعال شدن آنها ممکن است چندین ساعت طول بکشد.

پژوهشگران همچنین حساسیت این مدار‌ها را به عوامل خارجی مانند فاکتور‌های التهابی آزمایش کردند. برای نمایش پتانسیل کاربردی این فناوری، تیم تحقیقاتی مداری مهندسی کرد که می‌تواند این فاکتور‌ها را شناسایی کند و در نتیجه، برای کنترل تشدید بیماری‌های خودایمنی و کاهش سمیت مرتبط با ایمنی‌درمانی به کار گرفته شود.

بشور، که معاون مؤسسه زیست‌شناسی سنتزی دانشگاه رایس نیز هست، گفت: «تحقیقات ما ثابت کرد که امکان ساخت مدار‌های قابل برنامه‌ریزی در سلول‌های انسانی وجود دارد که به سیگنال‌ها به‌سرعت و با دقت واکنش نشان می‌دهند. این نخستین گزارش از کیت ساخت مدار‌های فسفریلاسیون مصنوعی است.»

آینده مهندسی زیستی و زیست‌شناسی سنتزی

کارولین آجو-فرانکلین، مدیر مؤسسه زیست‌شناسی سنتزی رایس، این پژوهش را نمونه‌ای از تحولات بنیادی در حوزه زیست‌شناسی سنتزی دانست.

او گفت: «اگر در دو دهه گذشته، زیست‌شناسان سنتزی یاد گرفته‌اند که چگونه واکنش‌های تدریجی باکتری‌ها به محیط را دستکاری کنند، کار آزمایشگاه بشور ما را به مرز جدیدی می‌برد—یعنی کنترل واکنش‌های آنی سلول‌های پستانداران به تغییرات محیطی.»

این پژوهش، گامی مهم در مسیر توسعه سلول‌های مهندسی‌شده‌ای است که می‌توانند به طور مستقل بیماری‌ها را شناسایی کرده و درمان‌های هدفمندی را در پاسخ به آنها ارائه دهند.

انتهای پیام/