Управление экспрессией генов с помощью внешней обратной связи

Учёные из INRIA и CNRS (Франция) создали платформу для точного и долгосрочного контроля экспрессии генов на уровне отдельных клеток. Метод использует внешнюю обратную связь, объединяя микроскопию, микрофлюидику и программное обеспечение для автоматического анализа изображений и прогнозирующего управления.

Ключевые инновации и преодолённые сложности

• Долгосрочный контроль: Эксперименты длились до 15 часов, охватывая множество поколений дрожжевых клеток.
• Адаптация микрофлюидного устройства: Изначально клетки смывало потоком среды при делении. Проблему решили, создав "ловушки", защищающие клетки от основного потока.
• Автоматизированное ПО: Для работы в реальном времени были разработаны надёжные алгоритмы автофокуса, сегментации изображений и отслеживания отдельных клеток. Частоту съёмки подбирали, балансируя между фотоповреждением клеток и качеством данных.
• Учёт инерции и стохастичности: Между началом транскрипции и появлением флуоресценции есть значительная задержка. Кроме того, реакция клеток на одинаковые стимулы варьируется. Модель прогнозирующего управления была создана для учёта этих факторов.

Результаты и перспективы

• Ограничение стохастичности: Контроль на уровне одной клетки статистически уменьшал флуктуации её флуоресценции вокруг целевого значения по сравнению с контролем на уровне популяции.
• Применение в синтетической биологии: Платформа позволяет создавать гибридные системы, где часть функций реализована in vivo (синтетическая биология), а часть — in silico (внешний контроль).
• Будущие улучшения: Интеграция оптогенетических методов позволит индивидуально стимулировать клетки в популяции с помощью света, расширив возможности контроля.
• Польза для вычислительной биологии: Платформа открывает путь для онлайн-подбора и настройки моделей в реальном времени.