Neuer Sensor-Bausatz revolutioniert synthetische Biologie

Bioingenieure der Rice University haben einen neuen Bausatz für den Aufbau maßgeschneiderter Sensor- und Reaktionsschaltkreise in menschlichen Zellen entwickelt. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Forschungsarbeit stellt einen bedeutenden Durchbruch auf dem Gebiet der synthetischen Biologie dar, der die Therapie komplexer Erkrankungen wie Autoimmunerkrankungen und Krebs revolutionieren könnte.

Der neue Ansatz für den Entwurf künstlicher zellulärer Schaltkreise basiert auf der Phosphorylierung – einem natürlichen Prozess, mit dem Zellen auf ihre Umgebung reagieren und der durch das Hinzufügen einer Phosphatgruppe zu einem Protein gekennzeichnet ist. Die Phosphorylierung ist an einer Vielzahl von Zellfunktionen beteiligt, darunter die Umwandlung extrazellulärer Signale in intrazelluläre Reaktionen – z. B. Bewegung, Sekretion einer Substanz, Reaktion auf einen Krankheitserreger oder Expression eines Gens.

In mehrzelligen Organismen beinhaltet die auf Phosphorylierung basierende Signalübertragung oft einen mehrstufigen, kaskadierenden Effekt wie fallende Dominosteine. Frühere Versuche, diesen Mechanismus für therapeutische Zwecke in menschlichen Zellen nutzbar zu machen, konzentrierten sich auf die Neugestaltung nativer, bestehender Signalwege. Die Komplexität der Wege macht sie jedoch schwierig zu handhaben, sodass die Anwendungsmöglichkeiten bisher ziemlich begrenzt blieben.

Dank der neuen Erkenntnisse der Forscher von Rice könnten auf Phosphorylierung basierende Innovationen in der „Smart Cell“-Technik in den kommenden Jahren jedoch einen deutlichen Aufschwung erleben. Dieser Durchbruch wurde durch einen Perspektivwechsel ermöglicht:

Die Phosphorylierung ist ein sequentieller Prozess, der sich als eine Reihe miteinander verbundener Zyklen entfaltet, die vom zellulären Input (also etwas, das die Zelle in ihrer Umgebung vorfindet oder wahrnimmt) zum Output (was die Zelle als Reaktion darauf tut) führen. Was das Forschungsteam erkannte – und beweisen wollte – war, dass jeder Zyklus in einer Kaskade als elementare Einheit behandelt werden kann und dass diese Einheiten auf neue Weise miteinander verknüpft werden können, um völlig neue Wege zu konstruieren, die zelluläre Ein- und Ausgänge verknüpfen.

„Das erweitert den Spielraum für die Entwicklung von Signalschaltkreisen dramatisch“, sagt Caleb Bashor , Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen und Biowissenschaften und korrespondierender Autor der Studie. „Es stellt sich heraus, dass Phosphorylierungszyklen nicht nur miteinander verbunden sind, sondern miteinander verbindbar sind – das ist etwas, von dem wir vorher nicht sicher waren, ob es mit diesem Grad an Komplexität möglich wäre.“