Настраиваемые генетические «часы» могут улучшить биотехнологические стратегии

Учёные из Имперского колледжа Лондона выяснили, как точно настраивать клеточные осцилляторы, что может привести к оптимизированному производству лекарств, биотоплива и других химических веществ.

В генетике осцилляторы — это биологические «часы», которые экспрессируют определённые ключевые гены через регулярные промежутки времени. Такие осцилляторы существуют во всех сферах жизни, от бактерий до человека, и их ритмы лежат в основе таких важных процессов, как деление клеток и метаболизм.

Осцилляторами можно управлять с помощью внешних сигналов. Например, цикл день/ночь влияет на гены, контролирующие высвобождение мелатонина, повышая его уровень ночью для поддержания сонливости.

Учёные всё чаще наделяют генетическими осцилляторами инженерные клетки, чтобы помочь им контролировать высвобождение лекарств, биотоплива и других веществ. Однако до сих пор было сложно контролировать частоту и амплитуду колебаний по отдельности.

Теперь исследование в журнале Cell Systems показало новые способы лучшего контроля над генетическими колебаниями путём настройки желаемой амплитуды и частоты.

Это позволит клеткам «бюджетировать» ресурсы, сокращая время, в течение которого гены остаются «включёнными», что снижает энергетическую нагрузку и накопление токсичных соединений в клетке. Это оптимизирует процесс производства лекарств, биотоплива и других химических веществ, делая операции более продуктивными и эффективными.

Ведущий автор доктор Гай-Барт Стэн заявил: «Мы показали, что можно независимо настраивать амплитуду и частоту генетических часов, что даёт нам больший контроль над их результатом».

Раскрытие ритмов

В настоящее время клетки бактерий-хозяев генетически модифицируют для экспрессии генов, контролирующих производство нужных белков. Генетические осцилляторы были одними из первых био-схем, созданных в синтетической биологии, и уже использовались в различных приложениях, но до сих пор учёные не могли изменить амплитуду, не влияя на частоту, и наоборот.

Исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы раскрыть связи между амплитудой и частотой в существующих генетических осцилляторах, и на этой основе предложили новые принципы проектирования для независимого контроля амплитуды и частоты.

Эти новые генетические часы могут помочь создавать более сложные генетические сети для доставки лекарств и даже внедрить элемент персонализированной медицины.

Первый автор доктор Мариос Томазу сказал: «Наши результаты могут помочь создавать лекарства, которые начинают действовать в определённое время в зависимости от пользы для конкретного пациента. Такой подход может сделать лекарства ещё более эффективными, одновременно снижая побочные эффекты, вызванные постоянным их действием».

Далее исследователи переведут концепцию из компьютерных моделей в лабораторные испытания, чтобы проверить её работу на практике.