روش‌هایی برای بهبود مهندسی پروتئین‌های زیست‌حسگر

مهندسی و طراحی پروتئین‌های زیست‌حسگر طراح برای شناسایی مولکول هدف همواره با مشکلاتی مواجه بوده است. دانشمندان با استفاده از روش‌های محاسباتی و آزمایش‌ها in vitro و in vivo این مشکل را برطرف ساختند.

زیست‌حسگرها ابزارهای بسیار قدرتمندی در سنتز زیستی برای مهندسی مسیرهای متابولیکی (metabolic pathways) یا کنترل مدارهای ژنتیکی سنتزی در باکتری‌ها هستند. دانشمندان برای بسط و توسعه روش‌های مهندسی پروتئین‌های زیست‌حسگر با چالش‌هایی روبرو هستند، حسگرهایی که بتوانند یک مولکول ویژه را با دقت حس و برهمکنش مناسب نسبت به آن داشته باشند. از این رو تا کنون تعداد محدودی روش مهندسی زیست‌حسگر با قابلیت تنظیم دقیق متابویسم سلولی، بیولوژی سلولی و مدارهای ژن سنتزی ارائه شده است.
محققان مؤسسه وایس در دانشگاه هاروارد با استفاده از ترکیب طراحی محاسباتی پروتئین ، سنتزهای in vitro و آزمایش‌های in vivo راهبرد جدیدی برای شناسایی زیست‌حسگرهای مهندسی شده ارائه کردند.
کورچ استاد موسسه Wyss، استاد ژنتیک در HMS و استاد علوم و فنون بهداشت در هاروارد و MIT می‌گوید:« انگیزه اصلی ما برای گسترش و توسعه زیست‌حسگرهای قابل تنظیم، دسترسی به یک حلقه بازخورد حیات یا مرگ برای مهندسی متابولیک بود. این کار منجر به تکامل داروینی بر روی استروئیدها شده، که در آن مجموعه‌ای از باکتری‌ها که به صورت ژنتیکی برای تولید یک مولکول محصول مطلوب برنامه‌ریزی شده‌اند، به‌سرعت از یک نسل به نسل دیگر کارامدتر می‌شوند، زیرا تنها باکتری‌هایی که بهترین تولیدکننده‌های متابولیکی هستند، اجازه بقا خواهند یافت.»
محققان برای توسعه این روش، یک پروتئین تنظیم‌کننده طبیعی استخراج شده از E.coli ( که LacI نامیده می‌شود) را به عنوان نمونه تست انتخاب کردند. این پروتئین یک فاکتور رونویسی آلوستریک (aTF) است که در واکنش به احساس متابولیت‌ها یا مولکول‌های “تحریک‌کننده” در محیط باکتری فعال می‌شود؛ بنابراین سبب آغاز بیان یک ژن پایین‌دستی می‌شود. با استفاده از LacI، محققان یک قالب برای مهندسی مجدد گونه‌های زیست‌حسگر جدید گسترش دادند که نسبت به چهار مولکول تحریک‌کننده ( لاکتیتول، سوکرالوز، ژنتیوبیوس و فوکوس) که E.coli طبیعی قادر به متابولیز آن‌ها نیست، واکنش نشان می‌دهد. برای مثال، سوکرالوز یک مولکول شکر کاملاً سنتزی است که به صورت تجاری تحت نام Splenda® فروخته می‌شود.
به منظور سنتز و شناسایی گونه‌های LacI سفارشی برای احساس و اندازه‌گیری این چهار مولکول محرک جدید، این گروه، یک گردش‌کار نوین با استفاده از یک راهبرد سنتزی ترکیبی طراحی کردند که برای ساخت یک کتابخانه متغیر از پتانسیل طراحی‌های زیست‌حسگر جدید متشکل از صدها هزار پروتئین LacI جهش‌یافته، متکی بر طراحی پروتئین محاسباتی و منابع سنتزی DNA مؤسسه Wyss است.
در ادامه برای شناسایی گونه‌هایی با حداکثر واکنش نسبت به این چهار مولکول هدف، تیم تحقیقاتی، گروهی از باکتری‌های E.coli به‌گونه‌ای مهندسی کردند که در هنگام تشخیص مولکول مدنظر، باکتری‌ها پروتئین فلورسنت سبز (GFP) را بیان کنند و به این ترتیب باکتری‌ها قابل شناسایی می‌شوند. تیم تحقیقاتی گونه‌هایی که دارای بیشترین فلورسنت هستند را جداسازی می‌کنند و برای آشکار ساختن پروفایل‌های DNA، توالی ژنتیکی آن‌ها را بررسی و نقشه‌هایی برای تبدیل aTFs به حسگرهای سفارشی طراحی می‌کنند.
نتایج بسیار قابل ملاحظه هستند زیرا یک حسگر aTF مهندسی شده بهینه می‌تواند برای اندازه‌گیری هر مولکول دلخواه با استفاده از این پروسه استفاده شود و درهای جدیدی در بیولوژی سنتزی با قرار دادن پروتئین‌های آلوستری در کنترل مهندسان ژنتیکی باز می‌شود.
تیلور ، محقق مؤسسه Wyss و نویسنده اول مقاله، که به تازگی دکتری خود را در علوم بیولوژی و زیست‌پزشکی در HMS تمام کرده است می‌گوید:« پروتئین LacI که ما برای طراحی مجدد و تبدیل به زیست‌حسگر سفارشی انتخاب کردیم، یکی از هزاران فاکتور رونویسی آلوستری مختلف است که در طبیعت وجود دارد. توانایی مهندسی LacI تنها با استفاده از دانش توالی و ساختاری آن، پیشنهاد می‌کند که ما می‌توانیم به ده‌ها، صدها یا حتی هزاران زیست‌حسگر دیگر که به مولکول‌های مختلف واکنش نشان می‌دهند، دست یابیم.
زیست‌حسگرهای ساخته شده با استفاده از این روش اطلاعاتی در مورد مقادیر یک متابولیت ویژه در درون سلول نیز فراهم می‌سازد. باکتری‌های مهندسی شده متابولیتی می‌توانند با این aTFs سفارشی تجهیز شوند و این امکان را فراهم سازند تا آن‌ها محصولات زیستی خود را شامل یک ماده شیمیایی مطلوب، مواد دارویی یا سوخت زیستی رصد و کنترل کنند.
تشخیص متابولیت‌های حساس درون سلول‌ها نیز یک الگوی جدید برای دانشمندان است که می‌توانند سلول را بررسی کنند. تا کنون، مطالعه حالت متابولیتی یک سلول منفرد بسیار چالش برانگیز بوده است. اما زیست‌حسگرهای طراح می‌توانند به عنوان یک واکنش‌دهنده سفارشی به متابولیت‌های مدنظر استفاده شوند و حالت‌های متابولیتی سلول‌های زنده را در زمان واقعی مشخص سازند.
گرووس ، دیگر نویسنده مقاله و محقق مؤسسه Wyss، می‌گوید:« ما هم‌اکنون از این روش برای پیدا کردن زیست‌حسگرها برای اهداف با ارزش به خصوص اهدافی که به محیط زیست کمک می‌کنند، استفاده می‌کنیم.»