Határokba ütközik a hagyományos irányított evolúció
Manapság a tudósok laboratóriumban irányított evolúcióval tökéletesítik a fehérjéket – például enzimeket vagy antitesteket –, amelyek létfontosságúak az orvostudományban, az iparban vagy akár a mosószerekben is. Ez azonban leggyakrabban azt jelenti, hogy állandó „nyomás” mellett csak azokat a fehérjéket válogatják ki, amelyek folyamatosan és magas szinten működnek. Az élő szervezetekben azonban sok fehérje nem ilyen egyszerű: vannak, amelyek jelzéseket közvetítenek, kapcsolóként vagy logikai kapuként működnek – vagyis adott pillanatokban váltaniuk kell. Ha az evolúciós kísérletek csak egy állapotot jutalmaznak, a fehérjék elveszíthetik kapcsoló- és szabályozó képességüket, sejtszinten pedig az egész rendszer tönkremehet. Következésképpen a többféle állapotot igénylő, összetett funkciójú fehérjék laboratóriumi fejlesztése nehézségekbe ütközik.
Az optovolution: fehérjék evolúciója fényvezérléssel
A kutatók most új módszert dolgoztak ki: az „optovolution” megnyitja az utat a dinamikus, akár számítási logikát is végrehajtó fehérjék evolúciója számára. Ennek lényege, hogy a fehérjék szabályozását és kapcsolását fénnyel vezérlik, miközben a fehérje viselkedése határozza meg, hogy a gazdasejt életben marad-e vagy elpusztul.
Fény, mint a sejtválogatás új eszköze
A csapat a jól ismert Saccharomyces cerevisiae élesztőgombát használta modellként. Átalakították az élesztő sejtciklusát: a sejtosztódás attól függött, hogy a tesztelt fehérje képes-e időben, megfelelően váltani aktív és inaktív állapot között. Egy szabályozó molekula összekapcsolta a fehérje működését a sejtciklus kritikus pontjával: ha a fehérje rosszkor volt bekapcsolva, a sejt leállt vagy elpusztult. Ezután optogenetikai technikával fénnyel váltották ki a fehérje átkapcsolását 90 percenként, minden sejtciklusban. Csak azok a sejtek maradtak életben, amelyekben a fehérje pontosan a megfelelő pillanatban váltott.
Új fehérjék, új színek, új képességek
Az optovolution révén a kutatók 19 új variánst fejlesztettek ki egy jól ismert, fénnyel irányítható szabályozó fehérjéből: ezek egy része érzékenyebbé vált a fényre, mások sötétben kevésbé voltak aktívak, illetve megjelentek olyan variánsok is, amelyek már nemcsak a kékre, hanem a zöld fényre is reagáltak. Ez komoly áttörés, mivel korábban szinte lehetetlennek tartották, hogy ilyen fehérjék a kék fénynél hosszabb hullámhosszakat is érzékeljenek. Az optogenetikai rendszert vörös fényre is átprogramozták: ehhez egy váratlan mutáció nyomán a sejtekben található természetes fényérzékeny molekulákat használták fel, így már nem kellett külön vegyszert adagolni.
Fehérjék, mint biológiai számítógépek
A módszerrel sikerült egy olyan szabályozó fehérjét is létrehozni, amely logikai kapuként működik: akkor aktiválódott, ha egyszerre kapott fényjelzést és kémiai jelet. Ez a dinamikus fehérjeviselkedés sok sejtfolyamat alapja, például a környezeti érzékelésé vagy a sejtosztódás szabályozásáé. Az optovolution technika új lehetőségeket ad a szintetikus biológiának, az MI-vezérelt biotechnológiának és az alapkutatásnak: segíthet okosabb sejtkörök létrehozásában, több színre érzékeny optogenetikai eszközök fejlesztésében és az evolúció során megjelenő komplex fehérjeviselkedések megértésében.
