Permitindo que as Células Conversem com Computadores

Proteínas repórter geneticamente codificadas têm sido essenciais para o estudo da pesquisa em biotecnologia, permitindo aos pesquisadores rastrear a expressão gênica, reconhecer procedimentos intracelulares e depurar circuitos genéticos projetados.

No entanto, os planos de relatórios padrão que dependem de fluorescência e outros métodos ópticos apresentam restrições práticas que podem lançar uma sombra sobre o desenvolvimento futuro da área. Agora, cientistas da Universidade de Washington e da Microsoft desenvolveram um “nanopore-tal” no que está acontecendo dentro desses intrincados sistemas biológicos, permitindo que os cientistas vejam proteínas repórter saudáveis ​​sob uma luz inteiramente nova.

A equipe apresentou um novo curso de proteínas repórter que um dispositivo de detecção nanopore disponível comercialmente pode ler diretamente. O novo sistema denominado “Nanopore-addressable protein Identifies Engineered as Reporters” ou “NanoporeTERs” pode detectar vários níveis de expressão de proteínas de sociedades de células bacterianas e humanas muito além da capacidade dos métodos existentes.

O estudo foi publicado em 12 de agosto na Nature Biotechnology.

“Os nanoporeTERs fornecem um léxico novo e mais rico para que as células criadas se compartilhem e também perdem uma nova luz sobre os fatores que são feitos para rastrear. Eles podem nos dizer muito mais sobre o que está ocorrendo em seu ambiente ao mesmo tempo”, afirmou o co-autor principal Nicolas Cardozo, um estudante de doutorado da UW Molecular Design, bem como do Instituto de Ciências. “Estamos tornando viável para que essas células ‘falem’ com os sistemas de computador sobre o que está acontecendo ao seu redor em um novo nível de informação, alcance e também um desempenho que certamente permitirá uma avaliação mais profunda do que poderíamos fazer antes de.”

Para as técnicas de rotulagem padrão, os cientistas podem rastrear apenas um par de proteínas saudáveis ​​repórter óptico, como a proteína saudável fluorescente verde, tudo de uma vez por causa de suas propriedades espectrais sobrepostas. Por exemplo, é difícil comparar mais significantes do que três vários tons de proteínas fluorescentes ao mesmo tempo. Em contraste, os NanoporeTERs foram feitos para trazer “códigos de barra” de proteínas saudáveis, compostos de cadeias de aminoácidos que permitem pelo menos dez vezes mais oportunidades de multiplexação quando usados ​​na mistura.

Essas proteínas sintéticas saudáveis ​​são produzidas fora de uma célula diretamente no ambiente circundante, onde os pesquisadores podem reuni-las e examiná-las utilizando uma seleção de nanoporos oferecida comercialmente. Aqui, o grupo usou o gadget Oxford Nanopore Technologies MinION.

Os pesquisadores projetaram as proteínas NanoporeTER com “caudas” faturadas para que possam ser atraídas diretamente para as unidades de detecção nanopore por uma área elétrica. Depois disso, o grupo usa a descoberta do dispositivo para identificar os sinais elétricos para cada código de barras NanoporeTER para estabelecer os graus de resultado de cada proteína saudável.

“Esta é uma nova interface de usuário entre células e computadores”, afirmou o escritor idoso Jeff Nivala, professor assistente de estudo da UW na Instituição Paul G. Allen de Ciência da Computação e Design. “Um exemplo que gostaria de dar é que os repórteres da imprensa sobre proteínas fluorescentes saudáveis ​​são como faróis, e também os NanoporeTERs se parecem com mensagens em um recipiente.

“Os faróis são realmente valiosos para interagir com um lugar físico, como você pode ver de onde o sinal está vindo, mas é difícil carregar mais detalhes nesse tipo de sinal. Uma mensagem em uma garrafa, por outro lado, pode embalar muito de detalhes em um pequeno navio, e você pode enviar vários deles para um local diferente para serem revisados. Você pode esquecer o local físico preciso para onde as mensagens foram enviadas, mas para várias aplicações, isso provavelmente não será um problema.”

Como prova de princípio, a equipe criou uma biblioteca de mais de 20 tags NanoporeTERs separadas. No entanto, o potencial é consideravelmente mais significativo, de acordo com a co-autora Karen Zhang, atualmente um estagiário de doutorado no programa de graduação em bioengenharia da UC Berkeley-UCSF.

“No momento, estamos trabalhando para aumentar a variedade de NanoporeTERs para centenas, milhares, talvez até milhões mais”, afirmou Zhang, que se formou este ano na UW com níveis de bacharel em bioquímica e microbiologia. “Quanto mais temos, mais coisas podemos rastrear.

“Estamos particularmente satisfeitos com a possibilidade de proteômica de célula única, mas isso também pode ser uma virada de jogo em termos de nossa capacidade de fazer biossensorização multiplexada para identificar a condição e também direcionar terapias para áreas específicas dentro do corpo. E também , depurar estilos de circuitos hereditários complexos seria muito mais fácil e demorado se pudéssemos medir a eficiência de todos os componentes em paralelo e não por tentativa e erro. “

Esses cientistas fizeram uso exclusivo do dispositivo MinION no passado, quando desenvolveram um sistema de marcação molecular para mudar os métodos convencionais de controle de estoque. Esse sistema dependia de códigos de barras compostos por fios de cabelo artificiais de DNA que podiam ser decodificados sob demanda, usando o visitante móvel.

Desta vez, o grupo deu um passo adiante.

“Este é o primeiro artigo que demonstra como um dispositivo de sensor nanopore comercial pode ser reaproveitado para aplicações diferentes do sequenciamento de DNA e RNA para o qual foram originalmente criados”, afirmou a coautora Kathryn Doroschak, bióloga computacional da Adaptive Biotechnologies que concluiu este trabalho como aluno de doutorado na Instituição Allen. “Isso é interessante como um precursor da inovação do nanopore, que acaba sendo extra acessível e também comum no futuro. Você já pode conectar uma ferramenta nanopore ao seu telefone celular. Eu poderia imaginar, mais cedo ou mais tarde, tendo uma escolha de ‘aplicações moleculares’ que irão certamente será razoavelmente econômico e também amplamente disponível além da genômica convencional. “

Referência:  Nicolas Cardozo et al, Detecção direta multiplexada de repórteres de proteínas com código de barras em uma matriz de nanoporos,  Nature Biotechnology  (2021). DOI: 10.1038 / s41587-021-01002-6