Le nano-‘ordinateur’ à base de protéines évolue dans sa capacité à influencer le comportement des cellules

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Le premier agent nano-informatique à base de protéines qui fonctionne comme un circuit a été créé par des chercheurs de Penn State. Cette étape les rapproche du développement de thérapies cellulaires de nouvelle génération pour traiter des maladies comme le diabète et le cancer.

Les approches traditionnelles de biologie synthétique pour les thérapies cellulaires, telles que celles qui détruisent les cellules cancéreuses ou encouragent la régénération des tissus après une blessure, reposent sur l’expression ou la suppression de protéines qui produisent une action souhaitée dans une cellule. Cette approche peut prendre du temps (pour que les protéines s’expriment et se dégradent) et coûte de l’énergie cellulaire dans le processus. Une équipe de chercheurs du Penn State College of Medicine et des Huck Institutes of the Life Sciences adopte une approche différente.

“Nous concevons des protéines qui produisent directement une action souhaitée”, a déclaré Nikolay Dokholyan, professeur G. Thomas Passananti et vice-président de la recherche au Département de pharmacologie. “Nos dispositifs à base de protéines ou agents nano-informatiques répondent directement aux stimuli (entrées) et produisent ensuite une action souhaitée (sorties).”

Dans une étude publiée dans Avancées scientifiques aujourd’hui (26 mai) Dokholyan et le doctorant en bioinformatique et génomique Jiaxing Chen décrivent leur approche pour créer leur agent nano-informatique. Ils ont conçu une protéine cible en intégrant deux domaines de capteurs, ou zones qui répondent aux stimuli. Dans ce cas, la protéine cible répond à la lumière et à un médicament appelé rapamycine en ajustant son orientation ou sa position dans l’espace.

Pour tester leur conception, l’équipe a introduit sa protéine modifiée dans des cellules vivantes en culture. En exposant les cellules cultivées aux stimuli, ils ont utilisé un équipement pour mesurer les changements d’orientation cellulaire après que les cellules aient été exposées aux stimuli des domaines du capteur.

Auparavant, leur agent nano-informatique nécessitait deux entrées pour produire une sortie. Maintenant, Chen dit qu’il y a deux sorties possibles et que la sortie dépend de l’ordre dans lequel les entrées sont reçues. Si la rapamycine est détectée en premier, suivie de la lumière, la cellule adoptera un angle d’orientation cellulaire, mais si les stimuli sont reçus dans l’ordre inverse, la cellule adopte un angle d’orientation différent. Chen dit que cette preuve de concept expérimentale ouvre la porte au développement d’agents nano-informatiques plus complexes.

“Théoriquement, plus vous intégrez d’entrées dans un agent nano-informatique, plus il y a de résultats potentiels qui pourraient résulter de différentes combinaisons”, a déclaré Chen. “Les entrées potentielles pourraient inclure des stimuli physiques ou chimiques et les sorties pourraient inclure des changements dans les comportements cellulaires, tels que la direction cellulaire, la migration, la modification de l’expression des gènes et la cytotoxicité des cellules immunitaires contre les cellules cancéreuses.”

L’équipe prévoit de développer davantage ses agents nano-informatiques et d’expérimenter différentes applications de la technologie. Dokholyan, chercheur au Penn State Cancer Institute et au Penn State Neuroscience Institute, a déclaré que leur concept pourrait un jour constituer la base des thérapies cellulaires de nouvelle génération pour diverses maladies, telles que les maladies auto-immunes, les infections virales, le diabète, les lésions nerveuses et le cancer. .

Yashavantha Vishweshwaraiah, Richard Mailman et Erdem Tabdanov du Penn State College of Medicine ont également contribué à cette recherche. Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Ce travail a été financé par les National Institutes of Health (subvention 1R35GM134864) et la Fondation Passan.

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