Projektowanie przełączników molekularnych w celu polaryzacji komórek
Uważa się, że organizmy komórkowe pojawiły się, gdy mieszaniny cząsteczek niezbędnych do powstania życia zostały zamknięte w sztywnych otoczkach, w wyniku czego powstały prymitywne komórki zwane prakomórkami. Jednak aby zacząć przejawiać zachowania charakterystyczne dla organizmów żywych, takie jak podział komórek i ich ruchliwość, elementy budulcowe komórek muszą również samoorganizować się w przestrzeni i czasie.
Wykorzystanie biologicznych elementów budulcowych do wytwarzania sztucznych przełączników molekularnych
Jednym z takich procesów samoorganizacji jest polaryzacja komórki, polegająca na tym, że jednorodnie rozmieszczone cząsteczki zostają uporządkowane w sposób asymetryczny. Do badania tego procesu stosuje się zwykle metody odgórne, w których mierzy się wynik zaburzeń wywołanych w systemie naturalnym. Dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, w projekcie POLAR zastosowano natomiast uzupełniające oddolne podejście z zakresu biologii syntetycznej. „Stworzyliśmy minimalne modele z biologicznych elementów budulcowych w celu wyprodukowania systemów syntetycznych, które odwzorowują podstawowy mechaniczny aspekt polaryzacji i samoorganizacji komórek”, wyjaśnia Leon Harrington, który prowadził projekt POLAR pod kierownictwem koordynatorki Petry Schwille. Aby zbadać mechanizmy samoorganizacji, naukowcy zbudowali syntetyczny przełącznik celujący w błonę, inspirowany białkami Min Escherichia coli – dobrze zbadany systemem tworzenia wzorców, który umożliwia podział komórek bakteryjnych. Współpracując z badaczami Jordanem Fletcherem i Dekiem Woolfsonem z Uniwersytetu w Bristolu, Harrington zaprojektował i zbudował odwracalny przełącznik celujący w błonę, wykorzystując minimalne elementy peptydowe, tzw. „coiled coil”. Cząsteczki te są znacznie mniejsze niż domeny białkowe i mają bardziej podatne i przewidywalne zasady projektowania. Zespół był w stanie przełączać strukturę coiled coil pomiędzy stanami monomeru i heterodimeru poprzez odwracalną fosforylację i defosforylację. Otrzymany w ten sposób „moduł” został połączony z motywami celującymi w błonę w celu uzyskania odwracalnych przełączników błonowych, które mogą być wykorzystane do badania mechanizmów łamania symetrii. Biocząsteczki są podatne na niespecyficzne sklejanie się w syntetycznych środowiskach, co sprawia, że inżynieria i kontrola interakcji białko-białko i białko-lipid są szczególnie trudne. Harrington przyznaje, że było to wymagające technicznie, ale dodaje też: „Najlepszym dowodem na działanie teorii lub mechanizmu jest zbudowanie systemu od podstaw i przetestowanie go”. Oddolne podejście zastosowane w projekcie POLAR pozwala naukowcom skoncentrować się na podstawowych elementach niezbędnych w procesach życiowych i umożliwia zastosowanie szerszego zakresu technik pomiarowych niż byłoby to możliwe wewnątrz żywego organizmu.
Przyszłe zastosowania systemu POLAR
Naukowcy planują w przyszłości wprowadzenie dodatkowych modułów generujących pozytywne i negatywne sprzężenia zwrotne, a tym samym definitywne przetestowanie mechanizmów łamania symetrii. Włączają także do systemu POLAR składniki oparte na DNA. Łatwość manipulacji DNA i jego przewidywalne zachowanie sprawiają, że są one szczególnie atrakcyjne jako biologiczne elementy budulcowe. Zastosowania przełączników molekularnych wykraczają poza główny cel, jakim jest badanie łamania symetrii. Harrington i jego współpracownicy są zainteresowani rozszerzeniem zakresu działania wyłączników molekularnych POLAR, np. poprzez zastosowanie innych rodzajów modyfikacji potranslacyjnych lub poprzez projektowanie wyłączników o wyższych stechiometriach, takich jak trymery czy tetramery. Planują również zintegrować te przełączniki w ramach zaprojektowanych struktur białkowych, aby generować dynamiczne zachowania wewnątrz komórek. Ogólnie rzecz biorąc, opracowanie odwracalnych, modułów interakcji coiled-coils otwiera wiele dróg do projektowania dynamicznych układów molekularnych. Harrington odnosi się też do przyszłości: „Technologie te będą bardzo przydatne dla badaczy zajmujących się biologią syntetyczną”.
Słowa kluczowe
POLAR, przełącznik molekularny, łamanie symetrii, polaryzacja komórek, coiled coil, biologia syntetyczna, DNA