اولین عامل نانو محاسباتی مبتنی بر پروتئین که به عنوان یک مدار عمل می کند توسط محققان ایالت پن ساخته شده است. این نقطه عطف، آنها را یک قدم به توسعه نسل بعدی درمان‌های مبتنی بر سلول برای درمان بیماری‌هایی مانند دیابت و سرطان نزدیک‌تر می‌کند.
رویکردهای زیست‌شناسی مصنوعی سنتی برای درمان‌های مبتنی بر سلول، مانند روش‌هایی که سلول‌های سرطانی را از بین می‌برند یا بازسازی بافت را پس از آسیب تشویق می‌کنند، بر بیان یا سرکوب پروتئین‌هایی تکیه می‌کنند که عملکرد مطلوبی را در سلول ایجاد می‌کنند. این رویکرد ممکن است زمان ببرد (پروتئین ها بیان و تجزیه شوند) و انرژی سلولی را در این فرآیند هزینه کند. تیمی از کالج پزشکی ایالت پن و محققان موسسه هاک در علوم زیستی رویکرد متفاوتی را در پیش گرفته اند.
نیکولای دوخولیان، پروفسور جی. توماس پاسانانتی و معاون پژوهشی در دپارتمان فارماکولوژی، گفت: «ما در حال مهندسی پروتئین‌هایی هستیم که مستقیماً یک عمل دلخواه را ایجاد می‌کنند». دستگاه‌های مبتنی بر پروتئین یا عوامل نانو محاسباتی ما مستقیماً به محرک‌ها (ورودی‌ها) پاسخ می‌دهند و سپس یک عمل (خروجی) دلخواه را تولید می‌کنند.»
در مطالعه ای که در پیشرفت علم امروز (26 مه) دوخولیان و دانشجوی دکترای بیوانفورماتیک و ژنومیک، جیاکسینگ چن، رویکرد خود را برای ایجاد عامل محاسباتی نانو توضیح می‌دهند. آنها یک پروتئین هدف را با ادغام دو حوزه حسگر یا مناطقی که به محرک ها پاسخ می دهند مهندسی کردند. در این حالت، پروتئین هدف با تنظیم جهت یا موقعیت خود در فضا به نور و دارویی به نام راپامایسین پاسخ می دهد.
برای آزمایش طراحی آنها، این تیم پروتئین مهندسی شده خود را به سلول های زنده در کشت معرفی کردند. آنها با قرار دادن سلول های کشت شده در معرض محرک ها، از تجهیزاتی برای اندازه گیری تغییرات جهت گیری سلولی پس از قرار گرفتن سلول ها در معرض محرک های حوزه حسگر استفاده کردند.
پیش از این، عامل نانو محاسباتی آنها برای تولید یک خروجی به دو ورودی نیاز داشت. اکنون چن می گوید دو خروجی ممکن وجود دارد و خروجی بستگی به سفارشی دارد که ورودی ها دریافت می شوند. اگر ابتدا راپامایسین و به دنبال آن نور تشخیص داده شود، سلول یک زاویه جهت گیری سلولی را اتخاذ می کند، اما اگر محرک ها به ترتیب معکوس دریافت شوند، سلول زاویه جهت گیری متفاوتی را اتخاذ می کند. چن می‌گوید این اثبات مفهومی آزمایشی دری را برای توسعه عوامل پیچیده‌تر نانومحاسباتی باز می‌کند.
چن گفت: «از لحاظ تئوری، هرچه ورودی‌های بیشتری را در یک عامل محاسباتی نانو قرار دهید، نتایج بالقوه بیشتری می‌تواند از ترکیب‌های مختلف حاصل شود. ورودی‌های بالقوه می‌تواند شامل محرک‌های فیزیکی یا شیمیایی باشد و خروجی‌ها می‌تواند شامل تغییرات در رفتارهای سلولی، مانند جهت سلول، مهاجرت، اصلاح بیان ژن و سمیت سلولی ایمنی در برابر سلول‌های سرطانی باشد.
این تیم قصد دارد عوامل نانو محاسباتی خود را توسعه دهد و کاربردهای مختلف این فناوری را آزمایش کند. دوخولیان، محقق موسسه سرطان ایالت پن و موسسه علوم اعصاب پن ایالتی، گفت که مفهوم آنها می تواند روزی مبنای درمان های سلولی نسل بعدی برای بیماری های مختلف مانند بیماری های خودایمنی، عفونت های ویروسی، دیابت، آسیب های عصبی و سرطان باشد. .
Yashavantha Vishweshwaraiah، Richard Mailman و Erdem Tabdanov از کالج پزشکی Penn State نیز در این تحقیق مشارکت داشتند. نویسندگان هیچ تضاد منافعی را اعلام نمی کنند.
این کار توسط مؤسسه ملی بهداشت (Grant 1R35GM134864) و بنیاد پاسان تأمین مالی شده است.