Vědci vyvinuli umělý protein, který mění buňky na „chytré“. Objev může vést k nové generaci terapií

Nesprávně načasovaný nebo nadávkovaný lék přitom nejenže nemusí mít kýžený účinek, ale může dokonce uškodit. Nyní se ale na obzoru rýsuje rozlousknutí problému: vědci navrhli umělý protein, který buňky přeprogramuje na chytré tak, aby uměly doručit pomoc ve správném množství a ve správný čas. Foto: koláž ZD

Aby byla léčba efektivní, vyžaduje mnohdy dostat lék na správné místo, ve správný čas a správném množství. Bohužel je to ale úkol, na němž si dosud medicína lámala zuby – lékaři obvykle nemají možnost zjistit, jaké množství léku ve který okamžik by pacient potřeboval. Nesprávně načasovaný nebo nadávkovaný lék přitom nejenže nemusí mít kýžený účinek, ale může dokonce uškodit. Nyní se ale na obzoru rýsuje rozlousknutí problému: vědci navrhli umělý protein, který buňky přeprogramuje na chytré tak, aby uměly doručit pomoc ve správném množství a ve správný čas.

 

Chytré buňky chovající se jako malí autonomní roboti by mohli v budoucnu nejen pomáhat detekovat poškození a choroby, ale také doručovat ve správný čas správné množství léku. „Přeprogramování“ by přitom mělo být možné dosáhnout bez přímého lidského zásahu za využití syntetického proteinu, který je vůbec první svého druhu. Bílkovina navržená v počítači a syntetizovaná v laboratoři je dílem týmu bioinženýrů vedených Hanou El-Samadovou ze sanfranciské univerzity a Davidem Bakerem z Univerzity Washington. Nový protein lze využít k tomu, aby v živých buňkách vystavěl nové „obvody“, díky kterým buňky získají neobyčejné schopnosti.

Bílkovinu vědci nazvali LOCKR (Latching Orthogonal Cage-Key pRotein) a popsali je ve dvou článcích, které vyšly na konci července v časopise Nature. Protein se nepodobá ničemu, co se dosud podařilo lidem vymyslet.

„Zatímco většina nástrojů v biotechnologickém arsenálu využívá přirozeně se vyskytující molekuly, LOCKR svůj protějšek v přírodě nemá. Jde o biotechnologii počatou a vytvořenou lidmi od začátku do konce. To poskytuje dosud bezprecedentní stupeň kontroly nad tím, jak protein interaguje s jinými částmi buňky. Umožní nám tak začít hledat nevyřešené, a dosud neřešitelné, problémy v biologii, což bude mít velký dopad na medicínu a průmysl,“ vysvětluje podle Science Daily Hana El-Samandová.

LOCKR svou strukturou připomíná barel, který při otevření odhalí molekulární ruku. Ta může být navržena tak, aby ovládala prakticky jakýkoliv buněčný proces. V prvním ze dvou článků přitom vědci popsali ruku, která může řídit molekulární dopravu uvnitř buňky, rozkládat některé bílkoviny i spouštět sebedestrukční buněčný proces.

Je tu však háček – a to doslova. Ruka totiž zůstává skryta, dokud se barel neotevře. A jak jméno proteinu naznačuje, zůstává zavřený, dokud nenarazí na molekulární klíč – protein navržený vědci tak, aby přesně seděl do „zámku“, který otevře. LOCKR je tak ve výsledku vypnutý, načež ho molekulární klíč zapne.

Léčba na principu termostatu

Možnost kontrolovat, kdy je protein zapnutý či vypnutý, znamená, že se chová zhruba jako elektrický zapínač. Ten se sice může zdát jednoduchý, miniaturizované zapínače jsou základním stavebním kamenem moderní elektroniky – včetně komplexních integrovaných obvodů v počítačích, iPhonech a další elektronice. A s LOCKRem, zapínači podobným proteinem, mohou vědci postavit biologické ekvivalenty obvodů i uvnitř buněk.

„Stejným způsobem, jako umožnily integrované obvody explozi průmyslu s počítačovými čipy, tyto univerzální a dynamické biologické zapínače mohou brzy odemknout kontrolu nad chováním živých buněk a ve výsledku našeho zdraví,“ vysvětluje El-Samandová.

Ve druhém článku pak vědci popisují demonstraci potenciálu, kterou obvody vytvářející technologie má. Za využití nástroje jménem degronLOCKR, který může být zapnut i vypnut tak, aby zničil zvolený protein, byly vytvořeny obvody schopné dynamicky regulovat buněčnou aktivitu v reakci na podněty z vnějšího i vnitřního buněčného prostředí. Když obvody obsahující geneticky zakódovaný senzor detekovaly narušení normální aktivity, degronLOCKR odpověděl zničením proteinů řídících buněčný „software“, který narušení způsobil, a to do doby, než se buňka vrátila k normálu. Proces přitom připomíná způsob, jakým termostat monitoruje okolní teplotu a zapíná či vypíná topení tak, aby dosáhl požadované teploty.

Podle spoluautora výzkumu Andrewa Ng je přitom potenciál nové technologie prakticky bezbřehý. „LOCKR, specificky degronLOCKR, otvírá celou oblast nových možností pro programování buněk tak, aby léčily široké spektrum invalidizujících onemocnění, na která zatím nemáme bezpečnou a efektivní terapii. S těmito technologiemi jsme omezeni jen naší představivostí,“ uvádí Ng.

Vybalancovaná léčba traumatického poranění hlavy

El-Samandová, Ng a jejich spolupracovníci tak nyní pracují na chytrých buňkách založených na degronLOCKERu, které budou umět léčit řadu zranění a chorob, jako je traumatické poranění hlavy. Právě zde je totiž velmi obtížné léčbu správně načasovat a vybalancovat. Když mozek utrpí traumatické poranění, odpoví tělo intenzivní zánětlivou reakcí. I když je zánět základním prvkem tělesného léčebného procesu, při traumatickém poranění hlavy může jeho intenzita dalece přesáhnout potřebnou či dokonce zdravou hranici. Mnohdy pak zánět dosáhne takové intenzity, že zanechá mozek trvale poškozený. I když přitom lékaři podávají léky, aby situaci zvládli, nezřídka naopak zánět srazí natolik, že zabrání náležitému hojení. U tohoto poranění tak ani přirozené tělesné mechanizmy, ani dnešní lékařská péče neumějí zajistit tu správnou úroveň zánětu, který by maximálně umožnil hojení a zároveň nezpůsobil trvalé poškození.

Právě zde může pomoci degronLOCKR. Výzkumníci se domnívají, že již brzy budou schopni proměnit pacientovy vlastní buňky na chytré za pomoci obvodů založených na degronLOCKER, které jsou navrženy k monitorování zánětu a modulování aktivity imunitního systému. Snaha je, aby takto upravené buňky vrácené do pacientova těla držely zánět na hladině umožňující hojení beze škod.

Traumatické poranění mozku ale není jediný stav, kde by se technologie dala využít. Podle El-Samadové by jednoho dne mohly být chytré buňky nasazovány k tomu, aby léčily široké spektrum onemocnění, která jsou dnes neléčitelná – od rakoviny odolávajícím nejnovějším léčebným postupům až po autoimunitní choroby, na které dosud nemáme léčbu.

„Za použití degronLOCKR a jemu podobných molekul objevených v budoucnu budeme schopni tvořit stále sofistikovanější obvody, které mohou vyústit v novou generaci chytrých, přesných, robustních terapií založených na živých buňkách,“ dodává El-Samandová.

-mk-