Биоинженеры воссоздали сложную естественную регуляцию генов

Биоинженеры из Университета Дьюка разработали систему, воспроизводящую в лаборатории сложные взаимодействия, которые заставляют человеческие гены включаться внутри клеток. Эта система может принести пользу исследованиям в области генной терапии и развивающейся области синтетической биологии.

Новый подход поможет как фундаментальным учёным, изучающим эффекты «включения» или «выключения» множества различных генов, так и клиницистам, разрабатывающим новые генные терапии для лечения болезней человека.

«Мы знаем, что человеческие гены не просто включаются или выключаются, а могут активироваться на любом уровне в широком диапазоне. Существующие инженерные системы используют один белок для контроля уровня активации гена», — пояснил Чарльз Герсбах, доцент кафедры биомедицинской инженерии. — «Однако мы знаем, что естественные человеческие гены регулируются взаимодействием десятков белков, которые приводят к различным результатам в живой системе.

В отличие от типичных генетических исследований, которые анализируют естественные генные сети «сверху вниз», мы разработали подход «снизу вверх». Он позволяет искусственно смоделировать эти естественные сложные взаимодействия между многими белками, регулирующими один ген. Кроме того, этот подход позволил нам включать гены внутри клеток на уровнях, которые ранее были недостижимы».

Результаты экспериментов, проведённых старшим научным сотрудником лаборатории Герсбаха Пабло Пересом-Пинера, были опубликованы в журнале Nature Methods. Исследование поддержали Национальные институты здоровья (NIH), Национальный научный фонд (NSF), Фонд Хартвелла и March of Dimes.

Человеческие клетки содержат около 20 000 генов, которые производят множество белков, многие из которых влияют на активность других генов. Понимание этих взаимодействий значительно повысило бы возможности учёных во всех областях биомедицинских исследований. Однако из-за сложности этой естественной системы специалисты по синтетической биологии создают простые генные сети для точного контроля над каждым компонентом. Эти сети можно использовать для биосенсорики, биовычислений, регенеративной медицины или в качестве моделей для изучения более сложных естественных систем.

«Эта новая система может стать мощным подходом для исследования фундаментальных механизмов естественной регуляции генов, которые в настоящее время плохо изучены», — сказал Перес-Пинера. — «Таким образом, мы можем расширить возможности синтетической биологии и биологического программирования в млекопитающих».

Последние открытия стали возможными благодаря использованию новой технологии создания синтетических белков — транскрипционных активатор-подобных эффекторов (TALEs). Это искусственные ферменты, которые можно сконструировать для «связывания» практически с любой генной последовательностью. Поскольку TALEs легко производить, исследователи смогли создать множество таких белков для контроля специфических генов.

«Все биологические системы зависят от регуляции генов. Задача, стоящая перед исследователями в области биоинженерии, — попытаться синтетически воссоздать процессы, происходящие в природе», — заключил Герсбах.