Модульные генетические схемы, созданные из частей, в противном случае не связанных между собой бактериальных геномов, могут быть настроены для одновременной обработки нескольких химических веществ с минимальным вмешательством со стороны их соседей.Работа, опубликованная в журнале Американского химического общества ACS Synthetic Biology, дает ученым больше возможностей, поскольку они разрабатывают синтетические клетки для конкретных задач, таких как производство биотоплива, восстановление окружающей среды или лечение заболеваний человека.
Исследователи создают сложные генетические логические схемы, подобные тем, которые используются для создания традиционных компьютеров и электрических устройств. В простой схеме, если присутствуют один вход и другой вход, схема выполняет свою команду. С генетической схемой, основанной на этом типе булевой логики, схема генетической логики может инициировать создание определенного белка, когда она улавливает два химических вещества, или побуждать ДНК клетки подавлять создание этого белка.По мере того, как биологи-синтетики разрабатывают все больше инструментов, стало легче создавать простые схемы, но они требуют более сложных инструментов для решения сложных задач.
Мэтью Беннетт и его коллеги из Райса намерены пойти по пути, аналогичному пути компьютерных программистов, чьи возможности выросли от простого понга до иммерсивных миров современных игр.«Одна из конечных целей этой технологии — позволить клеткам ощущать окружающую среду и реагировать на нее программными способами», — сказал Беннетт, доцент кафедры биохимии и клеточной биологии. «Мы хотим иметь возможность запрограммировать клетки, чтобы они входили в окружающую среду и делали то, что они должны делать.
«Прямо сейчас один из основных способов сделать это — использовать транскрипционные логические вентили. Они похожи на электронные схемы — логические вентили в наших компьютерах.
В клетках они работают немного по-другому, но есть много параллелей. . "Логические вентили, разработанные командой Беннетта и другими, реагируют запрограммированным образом, когда они обнаруживают химические вещества в своем непосредственном окружении. Если в окружающей среде присутствуют определенные комбинации химических веществ, ворота активируют ген, который может либо подавлять, либо способствовать экспрессии белка.«В синтетической биологии было проделано много работы по программированию клеток, чтобы они могли принимать решения лучше и эффективнее, — сказал Беннетт. «Это то, к чему эта статья.
Мы нашли новый способ создания очень модульных и простых в использовании генетических систем для создания высокочувствительной транскрипционной логики».Исследование, проведенное аспирантом Райс Дэвидом Шисом, основывалось на генетическом наборе химерных (с частями из разных источников) факторов транскрипции.
Эти модульные белки включают в себя способность регуляции генов одного фактора транскрипции и способность чувствовать окружающую среду другого. Исследователи продемонстрировали, что до четырех химер с одними и теми же модулями связывания ДНК могут работать вместе и служить воротами с несколькими входами, подавляя — или подавляя репрессию — определенные гены. Они успешно протестировали способность комбинаций химер в бактериях Escherichia coli повышать или понижать экспрессию гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок.
«Часто, когда вы создаете генетические логические ворота, у вас должно быть много генов в фоновом режиме, чтобы ворота работали», — сказал Беннетт. «Мы смогли устранить необходимость в этом, запрограммировав факторы транскрипции — специфические белки, которые включают и выключают гены — на прямую реакцию на окружающую среду и активацию определенного гена очень модульным способом.«Теперь мы можем запрограммировать как зондирование окружающей среды, так и последующую генетическую регуляцию в одном модуле», — сказал он.
Беннетт сказал, что он считает, что синтетическая биология решает многие проблемы. «Мы могли бы использовать клетки, чтобы сообщать о загрязнении окружающей среды или устранять его. Или мы могли бы запрограммировать их так, чтобы они находили опухоль в вашем теле и реагировали на нее.
Для этого нам нужно научить клетки чтобы почувствовать среду, в которой находится опухоль, и, в зависимости от того, какие химические вещества обнаруживают клетки, отреагировать соответствующим образом ».По его словам, инженеры-метаболики могут найти сложные синтетические схемы, которые можно будет адаптировать на лету. «При ферментации, например, вы можете захотеть, чтобы генная регуляция в клетках изменялась по мере развития процесса.
Эти новые цепи могут воспринимать различные сахара в культуре и управлять генной регуляцией, чтобы максимизировать производство».