Генетические выключатели для синтетической биологии

Синтетические биологи создают искусственные сети генов и регуляторных элементов, подобные электронным схемам, для будущих диагностических систем, терапевтических средств и биопроизводства. Эти сети могут реагировать на биологические сигналы, производя нужный белок или фермент.

Команда из Института Висса Гарвардского университета и Университета штата Аризона (ASU) разработала "рибокомпьютерные устройства", способные одновременно анализировать несколько РНК-сигналов и действовать как "молекулярные логические платы". Теперь, совместно с исследователями из Северо-Западного университета и Технического университета Мюнхена, они создали два типа программируемых репрессорных элементов, которые могут выключать производство целевого белка в синтетических схемах.

Ключевые достижения

• Разработаны два типа репрессорных переключателей, которые в ответ на почти любую нуклеотидную последовательность-триггер могут снижать производство выходного белка до 300 раз.
• Создана библиотека из более 100 репрессоров на выбор, причём до 15 из них могут работать параллельно в одной схеме.
• Учёные объединили до четырёх репрессорных элементов в универсальные логические вентили NAND (И-НЕ) и NOR (ИЛИ-НЕ). Эти сложные "молекулярные логические платы" анализируют наличие нескольких входящих нуклеотидных сигналов, чтобы заглушить выходящий сигнал (например, флуоресцентного репортёрного белка).

"Наши устройства Repressor Switch добавляют новую возможность в инструментарий синтетической биологии. Они открывают путь к созданию более сложных и точных приложений для диагностики нового поколения, экологического мониторинга и биопроизводства", — говорит соавтор Пен Инь.

Как работают переключатели

Ранее команда создала "Toehold Switches" — РНК-переключатели, которые активируют синтез белка при связывании с триггерной РНК.

В новом исследовании функция была инвертирована:

1. Toehold Repressor Switches: Демонстрируют высокий динамический диапазон (до 300-кратного снижения выработки зелёного флуоресцентного белка в E. coli). Триггерная РНК вызывает структурные изменения, которые скрывают сайты связывания рибосомы и инициации трансляции, резко останавливая производство белка.
2. Three-Way Junction (3WJ) Repressor Switches: Имеют немного меньший динамический диапазон, но их эффективнее комбинировать в сложные модульные схемы для одновременного анализа нескольких триггерных РНК без взаимных помех.

Для оптимизации 3WJ-переключателей исследователи использовали метод SHAPE-Seq, разработанный в группе Джулиуса Люкса в Северо-Западном университете. Этот метод позволяет соотносить функцию РНК-молекул с их структурными состояниями в живых клетках.

Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.