«Основная идея состоит в том, что мы хотим ускорить эволюцию, чтобы производить огромное количество ценных химикатов», — сказал член факультета Wyss Core Джордж Черч, доктор философии, который является пионером в смежных областях синтетической биологии, метаболической инженерии и генетики. . Черч — профессор генетики Роберта Уинтропа в Гарвардской медицинской школе и профессор медицинских наук и технологий в Гарварде и Массачусетском технологическом институте.Решающее значение для этого процесса метаболической инженерии микробов имеет использование биосенсоров. Изготовленные из биологического компонента, такого как флуоресцентный белок, и «детектора», который реагирует на присутствие определенного химического вещества, биосенсоры действуют как переключатели и рычаги, которые включают и выключают запрограммированные функции внутри сконструированных клеток.
Их также можно использовать для определения того, какие микробные «рабочие» производят наибольшее количество желаемого химического вещества. Таким образом, их можно рассматривать как среду для двусторонней связи между людьми и клетками.Но до сих пор у ученых был доступ только к ограниченному количеству биосенсоров, которые не имеют большого отношения к биопроизводству ценных химикатов. Теперь исследователи Института Висса под руководством Черча разработали новый набор таких сенсоров, о которых сообщается в журнале Nucleic Acids Research, которые не только увеличивают количество клеточных «переключателей и рычагов», которые ученые могут использовать для сложного генетического перепрограммирования, но также и реагировать на ценные продукты, такие как возобновляемые пластмассы или дорогостоящие фармацевтические препараты, и давать микробам возможность сообщить об эффективности их производства.
«Мы можем общаться с клетками намного эффективнее, и наоборот», — сказал первый автор исследования Джеймсон Роджерс, аспирант Института Висса, который защищает докторскую диссертацию. Кандидат технических наук Гарвардского университета. «Если мы сравнили это с управлением компьютером, это почти как если бы нам были доступны только стрелки вверх и вниз, а теперь мы внезапно удвоили наши возможности управления, добавив стрелки влево и вправо».
Команда Wyss стремится использовать новые биосенсоры, чтобы помочь в разработке стратегий производства возобновляемых химических веществ с использованием генно-инженерных микробов.Связанные с зеленым флуоресцентным белком (GFP), биосенсоры можно использовать для запуска отдельных клеток, чтобы они испускали видимую флуоресценцию со скоростью, прямо пропорциональной тому, насколько хорошо они способны производить желаемый химический продукт.
С помощью новых биосенсоров легко идентифицировать наиболее эффективных микробов, чтобы они могли служить предшественниками колоний искусственно созданных бактерий, которые эволюционируют, чтобы с каждым последующим поколением становиться более эффективными в производстве возобновляемых химикатов. Это резко снижает узкое место цикла «проектирование-сборка-тестирование», которое исторически было вызвано тем, что инженерам приходилось просеивать многочисленные колонии бактерий, чтобы найти лучших производителей.
Полученные данные могут также привести к новым применениям в мониторинге окружающей среды с использованием генно-инженерных микробов для выдачи предупреждающих сигналов о присутствии загрязнителей или токсинов и могут открыть новые фундаментальные представления о метаболических путях.«Наша команда разрабатывает несколько различных способов сделать еще больше индивидуальных биосенсоров», — сказал Черч. «Мы пытаемся контролировать биологические процессы, и нам нужны новые способы, чтобы взяться за дело на молекулярном уровне — теперь мы проникаем глубже, чем могли раньше, и у нас все еще есть много интересных новых подходов. "«Этой работой Джордж и его команда приближают нас к устойчивому будущему, в котором мы будем полагаться на био-производство для чистого производства химических и фармацевтических товаров», — сказал директор-основатель Института Висса Дональд Э. Ингбер, доктор медицинских наук. .D., Который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы Джуды Фолкмана и профессором биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.