Генетические схемы на отдельных молекулах ДНК: потенциал вне клеток
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые создали генетические схемы на отдельных молекулах ДНК. Работа демонстрирует, что локальный синтез белка может служить принципом для создания диссипативных наноустройств в бесклеточных условиях, что открывает перспективы для конструирования искусственных клеток и нанобиотехнологий.
Мотивация исследования — воссоздать биологические процессы вне сложных систем живой клетки, чтобы лучше понять принципы природы. Как отметил первый автор, доктор Фердинанд Грайсс из Института Вейцмана (Израиль), эта работа направлена на создание будущих искусственных клеток, где отдельные молекулы ДНК могут стать их генетической основой.
Как работает регуляция генов в системе
В прокариотических системах процессы транскрипции (синтез mRNA с ДНК) и трансляции (синтез белка с mRNA) сопряжены. Новосинтезированный белок может сворачиваться и функционировать, будучи всё ещё связанным с ДНК через комплекс РНК-полимеразы, mRNA и рибосомы.
Ключевой момент — локальная концентрация новосинтезированных белков у ДНК может быть в ~1000 раз выше, чем в окружающем растворе. Это создаёт пространственную организацию, критически важную для регуляции.
Создание генетической схемы на одной молекуле ДНК
Исследователи сконструировали схему на основе генов бактериофага лямбда (E. coli), размещённых на одной молекуле ДНК:
- Негативный каскад: Ген-репрессор CI и его сайт связывания оператора тонко контролировали экспрессию гена HaloTag (HT). Белок HT использовался для визуализации новосинтезированных белков на ДНК.
- Позитивный каскад: Слияние HT с РНК-полимеразой фага T7 (HT-T7 RNAP) позволяло в реальном времени наблюдать за экспрессией репортёрного гена GFP.
- Детекция: Для усиления сигнала использовался флуорогенный краситель дальнего красного спектра (MaP655-Halo).
- Обратная связь: В схему был включён синтетический репрессор dCro, регулирующий экспрессию через искусственный промотор.
Эксперименты проводились в строгих условиях с низкой поверхностной плотностью ДНК, чтобы гарантировать именно локальный синтез.
Ключевое открытие: работа без клеточного компартмента
Учёные обнаружили, что локальный синтез белка на одной молекуле ДНК может управлять генетическими схемами в бесклеточных условиях, даже в очень разбавленных растворах, без необходимости клеточного компартмента.
«Регуляция экспрессии генов зависит от связывания белков с ДНК... Для этого обычно требуются высокие концентрации белков. Неожиданно мы обнаружили, что локальный синтез белка может временно повышать концентрацию достаточно долго, чтобы белки выполняли ту же функцию без клеточного ограничения», — пояснил руководитель работы доктор Рой Бар-Зив.
Это открытие бросает вызов традиционному представлению о необходимости высокой глобальной концентрации для регуляции генов.
Будущие перспективы
Исследователи планируют использовать принцип локального синтеза белка для:
- Повышения функциональности искусственных клеток на основе одиночных молекул ДНК, особенно при низких концентрациях.
- Создания самокодирующих наноустройств.
- Изучения взаимосвязи между структурой ДНК, динамикой экспрессии генов и синтезом белка.
Вклад других учёных: Николя Лардон и профессор Кай Йонссон (Институт медицинских исследований Общества Макса Планка) разработали краситель MaP655-Halo; Йоав Барак оптимизировал подготовку ДНК; Леони Шютц и профессор Эльмар Вайнхольд разработали метилтрансферазы для сайт-специфичной модификации ДНК биотином.