За последнее десятилетие миллиарды долларов были потрачены на технологию, которая может быстро и недорого читать и записывать ДНК для синтеза полипептидов и белков и манипулирования ими.Однако эта технология дает сбой, когда сталкивается с повторяющимся генетическим рецептом. Сюда входят многие натуральные и синтетические материалы, используемые для различных целей, от биологических клеев до синтетического шелка. Подобно тому, как кто-то борется с «невозможной» головоломкой, синтезаторам сложно определить, какой генетический фрагмент и куда идет, когда многие строительные блоки выглядят одинаково.
Ученые из Университета Дьюка устранили это препятствие, разработав свободно распространяемую компьютерную программу, основанную на математической задаче «коммивояжер». Синтетические биологи теперь могут найти наименее повторяющийся генетический код для построения молекулы, которую они хотят изучать.
Исследователи говорят, что их программа позволит тем, у кого ограниченные ресурсы или опыт, легко изучить синтетические биоматериалы, которые когда-то были доступны лишь небольшой части поля.Результаты опубликованы в Nature Materials 4 января 2016 г.«Синтез и работа с полипептидами с высокой степенью повторяемости — очень сложный и утомительный процесс, который долгое время был препятствием для выхода в эту область», — сказал Ашутош Чилкоти, профессор биомедицинской инженерии Тео Пилкингтона и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Duke. «Но с помощью нашего нового инструмента, то, что раньше занимало у исследователей месяцы работы, теперь может быть заказано в Интернете любым человеком примерно за 100 долларов, а гены, полученные за несколько недель, значительно упрощают изучение повторяющихся полипептидов».Каждый белок и полипептид основан на секвенировании двух или более аминокислот. Генетический рецепт отдельной аминокислоты, называемой кодоном, состоит из трех букв ДНК.
Но в природе есть 61 кодон, которые производят 20 аминокислот, что означает, что существует несколько кодонов, которые производят данную аминокислоту.
Поскольку синтетические биологи могут получить одну и ту же аминокислоту из нескольких кодонов, они могут избежать проблемных повторов ДНК, поменяв местами разные кодоны, которые достигают того же эффекта. Задача состоит в том, чтобы найти наименее повторяющийся генетический код, который по-прежнему производит желаемый полипептид или белок.«Я всегда думал, что есть потенциальное решение, что должен быть способ математически его вычислить», — сказал Чилкоти. «Я предлагал эту задачу аспирантам и раньше, но никто не хотел ею заниматься, потому что для этого требуется особая комбинация математики высокого уровня, информатики и молекулярной биологии. Но Николас Танг был правильным парнем».
После подробного изучения проблемы Николас Танг, докторант в лаборатории Чилкоти, обнаружил, что решение представляет собой версию математической задачи «коммивояжер». Классический вопрос: имея карту с набором городов для посещения, какой самый короткий маршрут, который проходит в каждый город ровно один раз, прежде чем вернуться в исходный город?Написав алгоритм, Танг проверил его.
Он составил список из 19 популярных повторяющихся полипептидов, которые в настоящее время изучаются в лабораториях по всему миру. Пройдя коды через программу, он отправил их на синтез коммерческими биотехнологическими организациями — задача, которая была бы невозможна для любого из исходных кодов.Без помощи коммерческих технологий исследователи тратят месяцы на создание ДНК, которую клетки используют для производства изучаемых белков.
Это утомительная, повторяющаяся задача — не самая привлекательная перспектива для молодого аспиранта. Но если бы новая программа сработала, процесс можно было бы сократить до нескольких недель ожидания машин, которые вместо этого доставят товары.Когда Тан получил свою ДНК, каждая из них была введена в живые клетки для получения желаемого полипептида, как и предполагалось.
«Он сделал 19 различных полимеров с поля за один выстрел», — сказал Чилкоти. «То, что, вероятно, создавалось десятками лет исследователям, он смог воспроизвести в одной статье за считанные недели».Чилкоти и Танг сейчас работают над тем, чтобы сделать новую компьютерную программу доступной онлайн для всех, чтобы использовать ее через простую веб-форму, открывая новую область синтетической биологии для всех.
«Это достижение действительно демократизирует область синтетической биологии и уравнивает правила игры», — сказал Тан. «Раньше для работы с повторяющимися последовательностями требовалось много опыта и терпения, но теперь любой может просто заказать их в Интернете. Мы думаем, что это действительно могло бы устранить узкое место, которое сдерживало сферу деятельности, и, надеюсь, привлечь больше людей в поле."