خبر کامل
طراحی پردازنده‌های زیستی فوق‌سریع برای درمان‌های هدفمند سلولی
پژوهشگران دانشگاه رایس موفق به طراحی پردازنده‌های بسیار کوچکی شده‌اند که می‌توانند درون سلول‌های انسانی به‌عنوان مدارهای زیستی عمل کنند. این مدارها با انتقال برچسب‌های فسفاتی از یک پروتئین به پروتئین دیگر، سیگنال‌ها را به واکنش‌های سلولی سریع تبدیل می‌کنند، فرایندی که تنها چند ثانیه به طول می‌انجامد.
کیت ماژولار برای حس و پاسخ سلولی
تیم تحقیقاتی به رهبری شیائویو یانگ و با همکاری کالب بشور، استادیار دانشگاه رایس، مجموعه‌ای از ماژول‌های پروتئینی طراحی کرده‌اند که مانند قطعات لگو به هم متصل می‌شوند. این فناوری که «کیت ساخت مدارهای زیستی مصنوعی برای حس و پاسخ» نامیده شده، قادر است مسیرهای سیگنال‌دهی جدیدی در سلول ایجاد کند. این مدارها تا زمان شناسایی علائم بیماری در حالت سکوت باقی می‌مانند و سپس درمان را فعال می‌کنند.
فسفریلاسیون: پیام‌رسان سریع سلول
سلول‌های بدن برای انتقال سریع پیام از سطح غشا به هسته، به فرایندی به نام فسفریلاسیون متکی هستند. در این فرایند، افزودن یک برچسب فسفاتی با بار منفی، ساختار پروتئین را تغییر داده و آن را فعال یا غیرفعال می‌کند، آن هم در کمتر از یک دقیقه.
در گذشته، زیست‌مهندسان بیشتر از مکانیسم‌های مبتنی بر DNA برای طراحی مدارهای مصنوعی استفاده می‌کردند که برنامه‌نویسی رونویسی در آنها آسان‌تر بود. با این حال، پاسخ‌دهی این نوع مدارها بسیار کند و گاهی در حد چند ساعت بود که کاربرد آنها را در درمان‌های سریع محدود می‌کرد.
طراحی مسیرهای جدید بر پایه پروتئین
در این پژوهش، محققان به‌جای مهندسی مسیرهای ژنی، مسیرهایی تماماً پروتئینی ساختند. آنها دامنه‌های جدیدی طراحی کردند که در طبیعت وجود ندارند و خواننده‌هایی ساختند که فقط در صورت وجود فسفات فعال می‌شوند. این طراحی باعث شد پیوند بین ورودی و خروجی کاملاً دقیق و بدون تداخل باشد.
یانگ توضیح داد: «هر ماژول مستقل است؛ بنابراین می‌توانیم یکی را تنظیم کنیم بدون اینکه باقی اجزا دچار اختلال شوند.»
این معماری ماژولار به آنها اجازه داد چهار چرخه سیگنال‌دهی متوالی را طراحی کنند، بدون اینکه سرعت پاسخ کاهش یابد.
مدارهای مصنوعی بدون تداخل با عملکرد طبیعی سلول
برخلاف روش‌های قبلی که تلاش می‌کردند اجزای مصنوعی را به مسیرهای طبیعی بچسبانند—روشی که اغلب باعث خطا یا مصرف بیش‌ازحد انرژی سلولی می‌شد—این مدارهای زیستی جدید به صورت موازی با مسیرهای طبیعی سلول کار می‌کنند و در عملکرد ذاتی سلول دخالتی ندارند.
پاسخ‌گویی سریع به محرک‌های التهابی
به‌دلیل سرعت بالای حرکت برچسب‌های فسفاتی، این شبکه‌های مصنوعی می‌توانند تنها در چند دقیقه به مولکول‌های التهابی نظیر فاکتور نکروز تومور-آلفا (TNF‑α) پاسخ دهند. این در حالی است که سوئیچ‌های دارویی مبتنی بر رونویسی نیاز به چندین ساعت زمان برای تولید RNA دارند.
در آزمایش‌های آزمایشگاهی، تنها یک پالس پیکومولار از TNF‑α توانست باعث روشن شدن سیگنال فلورسنت شود. مدار سپس این سیگنال ضعیف را به افزایش هزار برابری در سطح پروتئین خروجی تبدیل کرد؛ نتیجه‌ای که با مدل‌های محاسباتی نیز تطابق داشت.
کاربرد در درمان هدفمند سرطان و التهاب خودایمن
یکی از اهداف این فناوری کنترل دقیق‌تر درمان‌های سرطان است. برای مثال، برخی روش‌های درمانی مانند CAR‑T در بیماران شدیداً دچار سندرم رهایش سایتوکاین می‌شوند که می‌تواند باعث آسیب چندعضوی شود. یک مدار مصنوعی سریع می‌تواند در چنین شرایطی به‌سرعت فعال شود و واکنش را قبل از گسترش مهار کند.
در یک نمونه آزمایشی، تیم بشور یک مدار مصنوعی را به ژنی متصل کرد که عامل ضدالتهابی اینترلوکین‑۱۰ (IL‑۱۰) ترشح می‌کرد. سلول‌های T انسان که در محیط کشت دچار سیگنال خودایمنی شدند، تنها به میزان لازم IL‑۱۰ آزاد کردند و سپس به حالت آماده‌باش بازگشتند.
در مسیر درمان‌های کاشتنی هوشمند
بشور اظهار داشت: «مدارهای برنامه‌پذیر این امکان را فراهم می‌کنند که سلول فقط در زمان و مکان مناسب فعال شود. چنین دقتی می‌تواند درهای جدیدی به‌سوی درمان‌های کاشتنی باز کند که نیازی به پمپ‌های خارجی یا تزریق مکرر ندارند.»
در حالی که گروه‌های دیگر از گیرنده‌های مصنوعی Notch برای کنترل رفتار سلول‌های T استفاده کرده‌اند—ابزاری که بر برش پروتئینی و فعال‌سازی ژنی متکی است و چند ساعت طول می‌کشد—کیت فسفریلاسیون لایه‌ای سریع‌تر را فراهم می‌کند که می‌تواند در بالادست این سیستم‌ها قرار گیرد.
مزیت بزرگ مدارهای فسفریلاسیون
یکی از ویژگی‌های مهم این مدارها قابلیت تنظیم دقیق آنهاست. با تغییر میزان بیان هر مؤلفه، پژوهشگران می‌توانند شدت و سرعت واکنش سلولی را به محرک‌های خاص تنظیم کنند. این امر به‌ویژه در شرایط واقعی که افراط یا تفریط در پاسخ می‌تواند مضر باشد، حیاتی است. یک مدار تنظیم‌نشده ممکن است سیستم ایمنی را بیش‌فعال کند یا نشانه بیماری را نادیده بگیرد؛ بنابراین دقت بالا در کالیبره‌کردن تمام اجزا ضروری است.
آزمایش در مدل‌های توموری سه‌بعدی و چالش‌های پیش‌رو
پژوهشگران اکنون در حال برنامه‌ریزی برای آزمایش کیت خود در مدل‌های توموری سه‌بعدی هستند. همچنین قصد دارند بررسی کنند که تا چه تعداد چرخه سیگنال‌دهی را می‌توان به‌هم زنجیر کرد قبل از آنکه نویز سیگنال را از بین ببرد.
یکی از چالش‌های مهم روش انتقال این مدارها به سلول‌هاست. در آزمایشگاه از ناقل‌های لنتی‌ویروسی استفاده شده، اما برای کاربرد بالینی باید از روش‌های ایمن‌تری مانند DNA یا mRNA غیرادغام‌شونده بهره برد.
آینده‌ای بر پایه سلول‌های برنامه‌پذیر
سازمان‌های ناظر احتمالاً خواهان داده‌هایی درباره پایداری این مدارها در بلندمدت خواهند بود. از این رو، مطالعاتی برای بررسی پایداری عملکرد مدار و احتمال تداخل ناخواسته با مسیرهای استرسی سلولی در حال انجام است.
با وجود چالش‌ها، این فناوری گامی مهم در جهت اعمال کنترل سطح پروتئینی بر فیزیولوژی پستانداران است. این پیشرفت بازتابی از ایده‌های اولیه درباره تبدیل سلول‌های زنده به ماده‌ای برنامه‌پذیر است—ایده‌ای که اکنون با سرعتی متناسب با پویایی بیماری‌ها در حال تحقق است.
این مطالعه در نشریه‌ی معتبر Science منتشر شده است.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
