«Жизнь контролируется схемами на основе ДНК, и они похожи на схемы, обнаруженные в электронных устройствах, таких как смартфоны и компьютеры», — сказал биоинженер Райс Джеффри Табор, ведущий исследователь проекта. «Основное различие состоит в том, что инженеры-электрики измеряют сигналы, входящие и исходящие из электронных схем, как напряжение, тогда как биоинженеры измеряют сигналы генетических цепей как включаемые и выключаемые гены».В новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Methods, Табор и его коллеги, в том числе аспирант и ведущий автор Эван Олсон, описывают новый сверхточный метод создания и измерения сигналов экспрессии генов у бактерий путем комбинирования светочувствительных белков. из фотосинтетических водорослей с помощью простого набора красных и зеленых светодиодных индикаторов и стандартных флуоресцентных репортерных генов.
Варьируя время и интенсивность свечения, исследователи смогли точно контролировать, когда и в какой степени были экспрессированы разные гены.«Свет предоставляет нам новый мощный метод для надежного измерения активности генетических цепей», — сказал Табор, доцент кафедры биоинженерии, который также преподает в докторской степени Райс. программа по системам, синтетической и физической биологии. «Наша работа была вдохновлена методами, которые используются для изучения электронных схем. У инженеров-электриков есть такие инструменты, как осциллографы и функциональные генераторы, которые позволяют им измерять, как сигналы напряжения проходят через электрические цепи. Эти измерения необходимы для правильной совместной работы нескольких схем. чтобы можно было создавать более сложные устройства.
Мы использовали наши световые инструменты в качестве генератора биологических функций и осциллографа, чтобы аналогичным образом анализировать генетические схемы ».Электронные схемы — например, в компьютерах, смартфонах и других устройствах — состоят из компонентов, таких как транзисторы, конденсаторы и диоды, которые соединены проводами. Когда информация — в виде напряжения — проходит по цепи, компоненты воздействуют на нее.
Помещая правильные компоненты в правильном порядке, инженеры могут создавать схемы, которые выполняют вычисления и выполняют сложную обработку информации.Генетические цепи также обрабатывают информацию. Их компоненты представляют собой сегменты ДНК, которые контролируют, экспрессируется ли ген.
Экспрессия генов — это процесс, в котором ДНК считывается и преобразуется для производства продукта, такого как белок, который служит определенной цели в клетке. Если ген не «экспрессируется», он отключается, и его продукт не производится. Бактерии, использованные в исследовании Табора, имеют около 4000 генов, а у людей — около 20000.
Жизненные процессы координируются разными комбинациями и таймингами включения и выключения генов.
Каждый компонент генетической цепи воздействует на входные данные, которые он получает — которые могут быть одним или несколькими продуктами экспрессии генов из других компонентов — и производит свой собственный продукт экспрессии генов в качестве выходных данных. Соединяя правильные генетические компоненты вместе, синтетические биологи, такие как Табор и его ученики, создают генетические схемы, которые программируют клетки для выполнения сложных функций, таких как подсчет, сохранение памяти, рост в тканях или диагностика признаков болезни в организме.Например, в предыдущем исследовании Табор и его коллеги разработали генетические схемы, которые позволяли бактериям изменять свой цвет в зависимости от входящего света. Этот метод позволил команде создать бактериальные колонии в чашках Петри, которые могли вести себя как фотобумага и воспроизводить черно-белые изображения.
В новом исследовании Табор и Олсон поняли, что свет можно использовать для создания изменяющихся во времени сигналов экспрессии генов, которые поднимаются и опускаются, подобно тем, которые используются в электронной технике.«В электронике двумя ключевыми инструментами являются генераторы функций и осциллографы, — сказал Олсон, аспирант по прикладной физике. «Функциональный генератор посылает известный сигнал в описываемую схему. Осциллограф — это устройство с экраном, который инженер использует для просмотра выходных данных схемы. Поворачивая ручки на функциональном генераторе и просматривая соответствующий выходной сигнал на осциллографе, инженер может сделать вывод о том, что делают различные части схемы.
«Система флуоресцентных репортерных генов — это наша версия осциллографа», — сказал он. «Это позволяет нам видеть как вход, так и выход схемы, и, поскольку он использует свет, чтобы сообщить о том, что происходит, он обеспечивает очень чистый сигнал».Имея в руках «биосциллограф», команде понадобился соответствующий генератор функций. Олсон, ведущий автор статьи Nature Methods, применил свои навыки в области электроники в конце 2011 года и изобрел «матрицу световых трубок», программируемый набор светодиодных ламп размером восемь на восемь, которые подходят под стандартные 64-луночные лампы. лоток из пробирок. С добавлением некоторого количества блокирующей свет пены вокруг каждой пробирки, команда получила способ посылать индивидуально запрограммированные световые сигналы в каждую пробирку в массиве.
Изменяя сигналы и измеряя соответствующие выходные сигналы с помощью своего биосциллископа, команда смогла точно определить, как работает его тестовая схема.«Точность света позволяет нам создавать исключительно чистые сигналы экспрессии генов, которые мы можем использовать для извлечения гораздо больше информации о генных цепях, чем это было возможно раньше», — сказал Табор.«Мы обнаружили семиминутную задержку между входом и выходом экспрессии гена из генетической цепи», — сказал Олсон. «Мы также обнаружили, что можем запрограммировать схему так, чтобы она следовала определенным шаблонам. Например, чтобы подняться на определенную величину в течение установленного периода времени, остановиться и оставаться на другом уровне в течение заранее определенного периода времени, а затем спуститься на третий уровень. в течение другого промежутка времени ".
Олсон сказал, что массив световых трубок и биосциллископ будут полезными инструментами для биологов, чтобы исследовать, как работают клетки природы, а также для синтетических биологов, которые хотят создавать и анализировать свои собственные схемы и сети.«На самом деле речь идет о чистом входном сигнале, чистом выходном сигнале и инструментах, необходимых для их измерения», — сказал Олсон.Табор добавил: «Вы просто никогда не увидите таких чистых данных в биологии. Это замечательно».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и НАСА. Соавторами исследования являются аспиранты по биоинженерии Лукас Хартсоу и Брайан Лэндри, а также бывший студент Рагхав Шрофф.Видео: http://www.youtube.com/watch?v=74m-wJfaFHA