מסירת תרופות ממוקדת היא תחום רפואה רב עוצמה ומבטיח. טיפולים המציין את האזורים המדויקים של הגוף בהם הם נדרשים – ולא בשום מקום שהם לא – יכולים להפחית את מינון התרופות ולהימנע מהשפעות שעלולות להזיק "יעד" במקומות אחרים בגוף. אימונותרפיה ממוקדת, למשל, עשויה לחפש רקמות סרטניות ולהפעיל תאים חיסוניים כדי להילחם במחלה רק ברקמות אלה.
החלק המסובך הופך את הטיפול באמת "חכם", שם התרופה יכולה לנוע בחופשיות בגוף ולהחליט לאילו תחומים למקד.
חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון עשו צעד משמעותי לעבר מטרה זו על ידי תכנון חלבונים עם יכולות קבלת החלטות אוטונומיות. במחקר הוכחת עקרונות שפורסם ב- 9 באוקטובר בביולוגיה כימית, החוקרים הדגימו כי על ידי הוספת מבני זנב חכמים לחלבונים טיפוליים, הם יכלו לשלוט על לוקליזציה של החלבונים על בסיס נוכחות של רמזים סביבתיים ספציפיים. זנבות חלבון אלה מתקפלים את עצמם לצורות מתוכנתות מראש המגדירות כיצד הם מגיבים לשילובים שונים של רמזים. בנוסף, הניסוי הראה כי ניתן לחבר את זנבות החלבון החכם לחומר נשא למסירה לתאים חיים.
ההתקדמות בביולוגיה סינתטית אפשרה גם לחוקרים לייצר חלבונים אלה בזול ובתוך כמה ימים במקום חודשים.
הסופר הבכיר קול דה פורסט, פרופסור UW להנדסה כימית והנדסה ביו -הנדסה, אמר כי "חשבנו על המושגים האלה מזה זמן מה, אך נאבקנו בדרכים להגדיל ולאוטומציה של ייצור אוטומטי.
כעת סוף סוף גילינו כיצד לייצר מערכות אלה מהירות יותר, בקנה מידה ועם מורכבות לוגית משופרת באופן דרמטי. אנו נרגשים מאיך שאלו יובילו לטיפולים מתוחכמים יותר וניתנים להרחבה של מחלות. "
Cole Deforest, פרופסור, הנדסה כימית והנדסה ביו, אוניברסיטת וושינגטון
הרעיון של חומרים ביולוגיים הניתנים לתכנות אינו חדש. מדענים פיתחו אסטרטגיות רבות כדי להפוך מערכות להגיב לרמזים פרטניים – כמו רמות pH או נוכחות של אנזימים ספציפיים – הקשורים למחלה או אזור מסוים בגוף. אבל נדיר למצוא רמז אחד, או "סמן ביולוגי", זה ייחודי למקום אחד, ולכן חומר שמתנשא רק לסמן ביולוגי אחד עשוי לפעול על כמה מקומות לא מכוונים בנוסף למטרה.
פיתרון אחד לבעיה זו הוא לחפש שילוב של סמנים ביולוגיים. יתכנו אזורים רבים בגוף עם אנזים או רמות pH מסוימים, אך ככל הנראה יש פחות אזורים עם שְׁנֵיהֶם מבין אותם גורמים. בתיאוריה, ככל שחומר ביולוגי יכול לזהות יותר, כך יכול להיות מסירת תרופות ממוקדת יותר.
בשנת 2018, המעבדה של Deforest יצרה סוג חדש של חומרים שהגיבו לסמנים ביולוגיים מרובים באמצעות Lolean Logic, מושג המשמש באופן מסורתי בתכנות מחשבים.
"הבנו שנוכל לתכנת כיצד שוחררו טיפולים על סמך האופן בו הם קשורים לחומר נשא", אמר Deforest. "לדוגמה, אם היינו מקשרים מטען טיפולי לחומר באמצעות שתי קבוצות מתכלות המחוברות בסדרה – כלומר, כל אחת אחרי השנייה – היא הייתה משוחררת אם אחת מהקבוצות הייתה מושחתת, ומשמשת כשער או שער. כאשר הקבוצות המתפרקות היו מחוברות במקום זאת במקביל – כלומר, כל אחת מהן על מחצית מחצית שונה – בשתי הקבוצות היו משופעים לשחרור, מעגלים הגיוניים. "
זה היה צעד גדול קדימה, אבל זה לא היה ניתן להרחבה – הצוות בנה ידנית החומרים הגדולים והמורכבים האלה המגיבים לוגיקה באמצעות כימיה אורגנית מסורתית.
אך במהלך השנים הבאות, התחום הקשור לביולוגיה סינתטית שהתקדם בקפיצות.
"התחום פיתח כלים חדשים ומרתקים מבוססי חלבון שיכולים לאפשר לחוקרים ליצור קשרים קבועים בין חלבונים", אמר הסופר הראשון מוריאל רוס, סטודנט לדוקטורט של UW ל- Bioingingering. "זה פתח דלתות למבני חלבון חדשים שהיו בעבר בלתי ניתנים להשגה, מה שהאפשר פעולות לוגיות מורכבות יותר."
בנוסף, זה הפך להיות מעשי להשתמש בתאים חיים כמפעלים כדי לייצר חלבונים מורכבים אלה, ומאפשר למדענים לתכנן טביעות תכניות DNA בהתאמה אישית לחלבונים חדשים, להכניס את ה- DNA לחיידקים או לתאים מארחים אחרים ואז לאסוף את החלבונים עם המבנה הרצוי ישירות מהתאים.
עם הכלים החדשים הללו, Deforest וצוותו ייעלו ושיפרו צעדים רבים בתהליך בבת אחת. הם עיצבו והפיקו חלבונים עם זנבות שמתקפלים באופן ספונטני לצורות מותאמות יותר, ויצרו "מעגלים" מורכבים שיכולים להגיב עד חמישה סמנים ביולוגיים שונים. חלבונים חדשים אלה יכולים לחבר נשאים שונים – הידרוגלים, חרוזים זעירים או תאים חיים – למשלוח לתא, או תיאורטית אתר מחלה. הצוות אפילו העמיס מנשא אחד עם שלושה חלבונים שונים, שכל אחד מהם תכנת לספק את המטען הייחודי שלהם על סמך קבוצות שונות של רמזים סביבתיים.
"היינו כל כך נרגשים מהתוצאות," אמר Deforest. "בעזרת התהליך הישן, ייקח חודשים לסנתז רק כמה מיליגרם מכל אחד מהחומרים האלה. עכשיו לוקח לנו כמה שבועות לעבור מעיצוב מבנה למוצר. זה היה מחליף משחק שלם עבורנו."
"השמיים הם הגבול. אתה יכול ליצור מסירה מעוכבת ועצמאית של רכיבים רבים ושונים בטיפול אחד," אמר רוס. "ואני חושב שנוכל ליצור מעגלים הגיוניים גדולים בהרבה שהחלבון יכול להיות מגיב אליהם.
החוקרים ימשיכו כעת לחפש יותר סמנים ביולוגיים שאליו חלבונים יכולים למקד. הם גם מקווים להתחיל לשתף פעולה עם מעבדות אחרות ב- UW ומעבר לבנות ולפרוס טיפולים בעולם האמיתי.
הצוות תיאר שימושים אחרים גם לטכנולוגיה. אותם כלים יכולים לייצר טיפולים בתוך תא בודד ולהפנות אותם לאזורים ספציפיים, מעין מיקרוקוסמוס של אופן הפעולה של התהליך בגוף. Deforest רואה גם כלי אבחון כמו בדיקות דם שיכולות, למשל, להפוך צבע מסוים כאשר קיימים קבוצה מורכבת של רמזים בתוך דגימת הדם.
Deforest חושב שהיישומים המעשיים הראשונים עשויים להיות טיפולי סרטן, אך עם יותר מחקר, האפשרויות מרגישות אינסופיות.
"החלום הוא להיות מסוגל לבחור כל מיקום שרירותי בתוך הגוף – למטה לתאים בודדים – ולתכנת חומר ללכת ולפעול שם", אמר. "זה סדר גבוה, אבל עם הטכנולוגיות האלה אנו מתקרבים. עם השילוב הנכון של סמנים ביולוגיים, החומרים האלה פשוט יתאימו יותר ויותר."
