Инженерия клеточных функций без живых клеток

Ученые из EPFL разработали количественный и воспроизводимый метод для изучения и прогнозирования экспрессии генов, используя бесклеточную систему в сочетании с высокопроизводительным микрофлюидным устройством.

Микрофлюидика и бесклеточные системы

Метод основан на использовании экстракта из клеток — «бесклеточной» системы, содержащей ферменты и химические вещества для нормальных биологических процессов. Добавляя высокоэнергетические фосфаты и ДНК, можно возобновить экспрессию генов вне клетки, имитируя процессы в живых клетках.

Для количественного исследования ученые проанализировали тысячи бесклеточных реакций на микрофлюидном чипе. Это позволило создать количественную библиотеку синтетических транскрипционных факторов и прогнозировать влияние конкретного белка на ген.

Преимущества метода:

• Бесклеточные системы имитируют внутриклеточные, но проще и поддаются математическому моделированию.
• Они стабильны после заморозки (и даже лиофилизации), что позволяет масштабировать производство для применения в диагностике или создании биопрепаратов (например, вакцин).
• Поскольку системы неживые, они могут производить соединения за рамками традиционных биотехнологических методов и не несут риска самовоспроизведения или биозагрязнения.

Биологический логический вентиль

Используя гены из своей библиотеки, исследователи собрали биологический логический вентиль. Подобно электронному, он принимает на вход транскрипционные факторы и выдает бинарный результат: ген либо активирован («включен»), либо репрессирован («выключен»).

По словам соавтора Наданая Лаохакунакорна, создание искусственных вентилей позволяет придавать клеткам новые функции, например, для терапевтических целей. Бесклеточная система — это первый шаг в этом направлении. В будущем платформу можно использовать для оптимизации дизайна транскрипционных факторов перед их применением в бесклеточных системах или реинтродукцией в живые клетки.

Исследование опубликовано в PNAS.