Новый метод искусственного создания генетических переключателей для дрожжей
Исследователи из Университета Кобе и Университета Тиба разработали гибкий и простой метод искусственного создания генетических переключателей для дрожжей — модельного эукариотического организма.
Генетические переключатели — это сети регуляции генов, контролирующие экспрессию генов. Созданная платформа может быть применена для разработки сложных искусственно контролируемых дрожжевых клеток, производящих большие количества ценных соединений. Результаты опубликованы в Nature Communications.
В синтетической биологии искусственный контроль экспрессии генов позволяет создавать новые клеточные функции. Генетические переключатели необходимы для управления скоростью и временем экспрессии. Они «включают» или «выключают» экспрессию определённого гена в ответ на стимул (индуктор), например, химическое вещество.
Хотя для прокариот (например, E. coli) разработано много генетических переключателей, для эукариот (дрожжей, растений, человека) их создание отстаёт из-за более сложных систем регуляции генов.
Основная сложность при конструировании переключателей — предсказать, как и где их изменить для получения нужного контроля. Эволюционная молекулярная инженерия — полезный метод: создаётся библиотека вариантов переключателей путём случайных мутаций, а затем отбираются варианты с желаемыми свойствами.
Ключевая проблема — быстро идентифицировать нужные варианты в большой библиотеке. Классический метод искусственного отбора клеток в состояниях «выключено» и «включено» (индуктором) часто неэффективен: если отбор слишком сильный или слабый, лучшие варианты не выявляются. Трудно заранее предсказать необходимую силу отбора.
Исследовательская группа создала рабочий процесс, в котором варианты отбирались с разной силой отбора параллельно, путём изменения типа или концентрации химических веществ для отбора. После отбора группы вариантов каждый тестировали: подвергали действию индуктора и анализировали степень включения экспрессии гена по изменению уровня свечения зелёных флуоресцентных белков (GFP). Это позволило определить наиболее подходящие условия отбора и легко выявить высокопроизводительные варианты генетических переключателей.
С помощью этого метода были успешно разработаны три новых генетических переключателя, эффективность которых сравнима с лучшим из ранее созданных для дрожжей.
Интегрировав эти три переключателя, учёные создали дрожжи, способные к биосинтезу оранжевого пигмента (β-каротина) под AND-логическим контролем. Это означает, что β-каротин производится только при одновременном присутствии двух специфических химических соединений — DAPG и HSL.
Разработанный метод отбора ускорит создание широкого спектра генетических переключателей для дрожжей с различными характеристиками. Это также приведёт к быстрому увеличению числа генов, которыми можно управлять параллельно. Комбинирование таких переключателей позволит искусственно конструировать клеточные функции, например, для создания сложных регулируемых дрожжевых клеток, производящих большие количества полезных органических соединений.