Ljus styr proteiners utveckling till sensorer och biologiska logikkretsar

Proteiner är cellens arbetshästar, men deras verkliga styrka ligger ofta i förmågan att skifta mellan olika tillstånd och svara på signaler. Att skräddarsy just den dynamiska sidan av proteiner har länge varit svårt. Nu har en forskargrupp tagit fram en teknik som de kallar optovolution, där ljus används för att driva och styra proteiners utveckling i riktning mot exakt de egenskaper man vill åt.

Grundidén bygger på riktad evolution, en princip som efterliknar naturens urval i ett laboratorium. Forskarna konstruerade jästceller så att deras överlevnad blev direkt beroende av att ett protein bytte tillstånd vid rätt tidpunkt. På så sätt blev ljuset en slags domare: bara de celler vars proteiner uppförde sig som önskat fick fortsätta leva och föröka sig. Genom att upprepa processen i många omgångar kunde de snabbt sålla fram de varianter som fungerade bäst.

Metoden gav flera konkreta resultat. Bland annat skapades nya ljuskänsliga proteiner som reagerar på olika färger, något som öppnar för mer finkänslig styrning av celler. Forskarna lyckades också förbättra så kallade optogenetiska verktyg, alltså system där ljus används för att slå på och av aktiviteten hos celler. Sådana verktyg har blivit allt viktigare inom neurovetenskap och cellbiologi, eftersom de gör det möjligt att kontrollera processer med stor precision i både tid och rum.

Det kanske mest uppseendeväckande var att tekniken kunde forma fram ett protein som beter sig som en liten logisk grind. I datorernas värld är en logisk grind en byggsten som ger ett visst svar beroende på vilka signaler som kommer in. Det utvecklade proteinet aktiverade gener först när två olika signaler var närvarande samtidigt, vilket motsvarar en så kallad OCH-funktion. Med andra ord fattar proteinet ett slags villkorat beslut: bara om båda villkoren är uppfyllda sker något.

Den typen av molekylär logik är intressant för det växande fältet syntetisk biologi, där forskare bygger celler som kan utföra programmerade uppgifter. Tänk till exempel celler som bara reagerar när flera tecken på sjukdom finns på plats samtidigt, vilket skulle kunna göra framtida behandlingar både säkrare och mer träffsäkra.

Det som gör optovolution särskilt lovande är hastigheten och bredden. Eftersom urvalet sker automatiskt i levande celler kan stora mängder varianter testas på kort tid, och samma princip kan riktas mot många olika typer av dynamiska egenskaper. Forskarna ser metoden som ett verktyg som kan användas långt utanför de exempel som hittills demonstrerats.

Även om det handlar om grundforskning kan tekniken på sikt få betydelse för allt från medicinska verktyg till nya sätt att studera hur celler bearbetar information. Att kunna designa proteiner som inte bara har en fast funktion, utan som svarar och anpassar sig, är ett steg mot mer avancerade biologiska system.