Wissenschaftler erzielen einen Durchbruch in der synthetischen Biologie und entwickeln Schaltkreise für Zellen

Stellen Sie sich vor, Zellen könnten denken. Nun, Bioingenieure der Rice University machen diese Idee mit einem neuen Baukasten zum Aufbau programmierbarer Schaltkreise in menschlichen Zellen zur Realität.

Die bahnbrechende Forschung könnte den Weg für revolutionäre Behandlungen für Krankheiten wie Krebs und Autoimmunerkrankungen ebnen, sagen die Wissenschaftler.

Im Mittelpunkt der Innovation des Teams steht die so genannte Phosphorylierung, ein natürlicher Prozess, mit dem Zellen auf ihre Umgebung reagieren. Von der Erkennung von Entzündungen bis zur Kontrolle des Blutzuckerspiegels spielt die Phosphorylierung eine Schlüsselrolle in der zellulären Kommunikation.

Forscher haben nun jedoch einen Weg gefunden, diese Prozesse neu zu gestalten und synthetische Wege zu schaffen, die das Design der Natur nachahmen und sogar verbessern.

Entwurf von "intelligenten Zellen"

"Stellen Sie sich winzige Prozessoren in den Zellen vor, die aus Proteinen bestehen und 'entscheiden' können, wie sie auf bestimmte Signale wie Entzündungen, Tumorwachstumsmarker oder Blutzuckerspiegel reagieren sollen", erklärte Xiaoyu Yang, Hauptautorin der Studie.

"Diese Arbeit bringt uns der Entwicklung 'intelligenter Zellen', die Anzeichen von Krankheiten erkennen und als Reaktion darauf sofort maßgeschneiderte Behandlungen freisetzen können, ein ganzes Stück näher."

Der Ansatz des Teams beruht darauf, die Phosphorylierung als ein modulares System zu betrachten. Jeder Schritt im Phosphorylierungsprozess wirkt wie ein Baustein, der zu neuen Pfaden zusammengesetzt werden kann und es den Zellen ermöglicht, spezifische Umwelteinflüsse mit gezielten Ergebnissen zu verbinden.

"Dadurch wird der Raum für die Entwicklung von Signalschaltkreisen dramatisch erweitert", fügte Caleb Bashor, Hauptautor der Forschungsarbeit und Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen, hinzu. "Es stellt sich heraus, dass Phosphorylierungszyklen nicht nur miteinander verbunden sind, sondern auch miteinander verbunden werden können, was es uns ermöglicht, völlig neue Designs zu erstellen, ohne die normale Zellfunktion zu stören".

Schnellere, individuell anpassbare Therapien

Das Potenzial dieses Durchbruchs ist immens. Im Gegensatz zu früheren synthetischen Schaltkreisen, deren Aktivierung Stunden dauern konnte, reagieren diese neuen auf Phosphorylierung basierenden Schaltkreise in Sekunden oder Minuten. In Labortests haben die Schaltkreise externe Signale, einschließlich Entzündungsfaktoren, erkannt und gezielte Reaktionen ausgelöst.

"Unsere Forschung beweist, dass es möglich ist, programmierbare Schaltkreise in menschlichen Zellen aufzubauen, die schnell und präzise auf Signale reagieren", so Bashor. "Dies ist der erste Bericht über einen Baukasten für die Entwicklung synthetischer Phosphorylierungsschaltkreise."

Das Team demonstrierte, wie seine Schaltkreise eines Tages zur Kontrolle von Autoimmunschüben oder zur Verringerung der Nebenwirkungen von Immuntherapien eingesetzt werden könnten. Mit dieser Innovation ist das Versprechen von intelligenten Zellen, die Krankheiten erkennen und Behandlungen ermöglichen, einen Schritt näher an der Realität.

Quellenhinweis:

Xiaoyu Yang et al. Engineering synthetic phosphorylation signalling networks in human cells, published in Science, January 2025.