최초의 단백질 기반 나노 컴퓨터 개발

회로로 기능하는 최초의 단백질 기반 나노 컴퓨팅 에이전트가 만들어졌다. 이는 당뇨병, 암과 같은 질병을 치료하기 위한 차세대 세포 기반 치료법 개발에 활용 가능하다.

암세포를 파괴하거나 손상 후 조직 재생을 촉진하는 것과 같은 세포 기반 요법을 위한 전통적인 합성 생물학 접근법은 세포 내에서 원하는 작용을 생성하는 단백질의 발현 또는 억제에 의존한다. 이 접근법은 시간이 걸리고(단백질이 발현되고 분해되는 데) 그 과정에서 세포 에너지가 소모될 수 있다.

펜실베니아 주립대 의대와 허크 생명공학 연구소(Huck Institutes of the Life Sciences) 연구팀은 다른 접근 방식을 취하고 있다.

이 대학 약리학과 연구 부의장 Nikolay Dokholyan은 “우리는 원하는 작용을 직접 생성하는 단백질을 조작하고 있다. 우리의 단백질 기반 장치 또는 나노 컴퓨팅 에이전트는 자극(입력)에 직접 반응한 다음 원하는 작업(출력)을 생성한다”고 말했다.

Science Advances에 발표된 연구에서 Dokholyan과 생물 정보학 및 유전체학 박사 과정 학생 Jiaxing Chen은 나노 컴퓨팅 에이전트를 만드는 접근 방식을 설명했다. 그들은 두 개의 센서 도메인 또는 자극에 반응하는 영역을 통합하여 표적 단백질을 조작했다. 이 경우 표적 단백질은 방향 또는 공간에서의 위치를 조정하여 빛과 라파마이신이라는 약물에 반응한다.

설계를 테스트하기 위해 팀은 조작된 단백질을 배양 중인 살아있는 세포에 도입했다. 배양된 세포를 자극에 노출시킴으로써 그들은 세포가 센서 도메인의 자극에 노출된 후 세포 방향의 변화를 측정하는 장비를 사용했다.

연구팀의 생물 정보학 및 유전체학 박사 과정 학생인 Jiaxing Chen은 회로로 기능하는 최초의 단백질 기반 나노 컴퓨팅 에이전트를 만드는 Penn State 연구팀의 일원입니다. 크레딧: Penn State Huck Institutes of the Life Sciences

이전에는 나노 컴퓨팅 에이전트가 하나의 출력을 생성하기 위해 두 개의 입력이 필요했다. 이제 Chen은 두 가지 가능한 출력이 있으며 출력은 입력이 수신되는 순서에 따라 달라진다고 말한다. 라파마이신이 먼저 감지되고 빛이 뒤따르면 세포는 세포 방향의 한 각도를 채택하지만 자극이 역순으로 수신되면 세포는 다른 방향 각도를 채택한다. Chen은 이 실험적 개념 증명이 보다 복잡한 나노 컴퓨팅 에이전트 개발의 문을 열었다고 설명한다.

Chen은 “이론적으로 나노 컴퓨팅 에이전트에 더 많은 입력을 포함할수록 다양한 조합으로 인해 더 많은 잠재적 결과가 발생할 수 있다. 잠재적인 입력에는 물리적 또는 화학적 자극이 포함될 수 있으며 출력에는 세포 방향, 이동, 유전자 발현 수정 및 암세포에 대한 면역 세포 세포 독성과 같은 세포 행동의 변화가 포함될 수 있다”고 말했다.

팀은 나노 컴퓨팅 에이전트를 추가로 개발하고 기술의 다양한 응용 프로그램을 실험할 계획이다. Penn State Cancer Institute 및 Penn State Neuroscience Institute의 연구원인 Dokholyan은 그들의 개념이 언젠가 자가면역 질환, 바이러스 감염, 당뇨병, 신경 손상 및 암과 같은 다양한 질병에 대한 차세대 세포 기반 치료법의 기초를 형성할 수 있을 것이라고 말했다.