Биологи создали инструментарий для настройки генетических схем
Ученые Университета Райса создали инструментарий для синтетических биологов, которым требуется точная настройка уровней ввода и вывода генетических схем.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, — это подарок для ученых, которые систематически конструируют бактерии и другие организмы для выполнения несвойственных им задач.
«Пример — пробиотики», — сказал Мэтью Беннетт, соавтор исследования. «Это полезные кишечные бактерии, необходимые для здоровья человека. Многие синтетические биологи ищут способы создания пробиотиков, способных диагностировать или бороться с болезнями. Такие сконструированные пробиотики смогут производить лекарства или другие сложные молекулы внутри человеческого организма для борьбы с болезнями, от рака до воспалительных заболеваний кишечника».
Однако синтетическим биологам было сложно создавать достаточно точные схемы для доставки лекарств.
«Синтетическим биологам нужно создавать гены, которые включаются или выключаются в ответ на сигналы среды», — объяснил Беннетт. «Они действуют как сенсоры, позволяя пробиотику производить лекарство, когда это необходимо».
Используя бактерию Escherichia coli, Беннетт, аспирант Е Чен, постдоки Джоанн Хо и Дэвид Шис и коллеги из Университета Хьюстона применили модульные молекулярные строительные блоки для создания промоторов, которые включают и выключают гены в нужной степени.
Промоторы — это области ДНК, которые одновременно являются и «адресной строкой», и «инструкцией». Они не только указывают белкам-транскрипционным факторам, где начинать чтение гена, но и регулируют силу его включения — будет ли произведено много или мало белка.
«Синтетические биологи конструировали промоторные области для реакции на разные химические сигналы, но мы были ограничены тем, что дала нам природа», — сказал Беннетт. Кроме того, многие промоторы «протекают», то есть даже в выключенном состоянии производят небольшое количество белка.
Используя модульный подход, команда Беннетта разработала схему для создания непротекающих промоторов, которые включаются настолько сильно, насколько это необходимо.
Математики из Университета Хьюстона Крешимир Йосич, Чинмая Гупта и Уильям Отт рассчитали необходимые свойства для каждого строительного блока. Различные блоки смешивались и сочетались для создания библиотеки промоторов, каждый из которых был спроектирован реагировать определенным образом на один или несколько химических сигналов.
Например, в генетической схеме один ген можно запрограммировать на включение при получении определенного сигнала, а продукт этого гена — небольшая молекула или белок — может, в свою очередь, активировать или выключать другой ген. Соединяя целые наборы таких генов, можно строить сложные схемы.
«Эта способность ключевая для создания синтетических ген-регуляторных схем, требующих точных отношений ввода и вывода», — написали авторы в статье. Работа предоставляет простой и экономичный способ конструирования промоторов с заданным пользователем динамическим диапазоном, что позволит точно настраивать метаболический поток внутри синтетических биологических и химических схем в живых клетках.
Еще одним ключевым элементом проекта стало создание промоторов, которые активируются только при наличии двух или более сигналов. «Природа дает нам лишь несколько примеров промоторов, использующих несколько входов, поэтому создание непротекающих, простых в использовании многовходовых промоторов было для нас приоритетом», — заключил Беннетт.