Биоинженеры добавили кооперативные молекулы в свой набор инструментов для программирования обработки сигналов

Сложные молекулярные сети внутри живых клеток позволяют им воспринимать и обрабатывать множество сигналов из окружающей среды для выполнения нужных функций. Синтетические биологи уже могли воссоздавать и имитировать более простые формы этой клеточной обработки сигналов. Теперь новый набор инструментов, основанный на самособирающихся молекулах и прогностическом моделировании, позволит исследователям конструировать сложные вычисления и обработку сигналов, характерные для эукариот, включая клетки человека.

Работа доцента Ахмада 'Мо' Халиля (BME), доцента Калеба Башора из Университета Райса, аспиранта BME Никита Пателя и других коллег из MIT, Гарварда, Broad Institute и Университета Брандейса опубликована в Science.

Тип комбинаторной обработки сигналов, который им удалось синтетически сконструировать, — это то, что клетки делают естественно и элегантно для выполнения сложных задач, таких как эмбриональное развитие и дифференцировка.

«Эта работа — тур-де-синтетической биологии, которая решает важный вопрос о том, как клетки обрабатывают информацию на уровне ДНК», — говорит д-р Том Эллис, читатель кафедры биоинженерии Имперского колледжа Лондона, не участвовавший в исследовании.

«Взяв общий принцип, существующий в природе — способность регуляторных молекул сотрудничать и формировать высокоупорядоченные комплексы, — можно запрограммировать клетки на решение очень сложных вычислительных и комбинаторных задач», — говорит Халиль. «Это представляет собой очень иной способ конструирования генетических цепей по сравнению с традиционным и может открыть новый класс клеточных функций, которые мы можем имитировать и контролировать».

Сначала исследователи создали библиотеку простых синтетических молекулярных компонентов, способных взаимодействовать друг с другом. Каждый из этих компонентов имеет уникальные химические и кинетические свойства, которые можно использовать для понимания его поведения. Используя эти известные свойства, они построили количественную модель, которая может предсказывать, как различные комбинации этих молекул собираются в высокоупорядоченные комплексы. Затем они использовали эту прогностическую модель в качестве руководства для проектирования генетических цепей, которые используют преимущества комбинаторной сборки для выполнения нужных функций обработки сигналов.

«По сути, эти компоненты связываются друг с другом чрезвычайно слабыми взаимодействиями», — говорит Башор. «Но все эти слабые взаимодействия в большом комплексе складываются во что-то действительно прочное. Поэтому, когда их очень мало, они не образуют комплекс. А когда достигают критической концентрации, они «видят» друг друга и могут собраться вместе, образуя комплекс».

Сам комплекс состоит из трёх компонентов: синтетического фактора транскрипции, контролирующего активацию гена, последовательности ДНК, с которой связывается этот фактор, и синтетической молекулы-«зажима», которая скрепляет три части вместе. Этот комплекс позволяет им настраивать силу реакции клетки на входной сигнал и включать или выключать реакцию в нужное время. Но это гораздо больше.

«То, что мы используем и пытаемся построить, — одна из самых мощных и универсальных особенностей биологии: кооперативность», — говорит Халиль. «Один из способов думать о кооперативности — она позволяет целому быть больше суммы его частей».

«Кооперативность можно рассматривать как тот же тип функции обработки сигналов, что даёт нам аналого-цифровой преобразователь», — говорит Башор. «Аналого-цифровой преобразователь берёт что-то по сути линейное и превращает в нечто переключательное».

В их системе инженерные клетки производят компоненты сборки в ответ на нужный химический или средовой сигнал. В одном эксперименте они запрограммировали дрожжевые клетки реагировать на два разных химических вещества, и конкретно — на различные концентрации этих двух веществ либо в аналоговом, либо в цифровом режиме.

В аналоговых цепях реакция непрерывна: при наличии малой концентрации одного или обоих химикатов наблюдается градуированный отклик. Но в цифровых цепях реакция дискретна, по принципу «всё или ничего» — как преобразование сигнала в двоичный код, состоящий только из 0 и 1, выключено и включено.

Используя новую возможность регулировать кооперативность между компонентами сборки, они показали, что могут преобразовать реакцию клетки от тупой к резкой — чем более кооперативен комплекс, тем резче реакция. Резкость реакции — то, насколько остро и интенсивно система реагирует при достижении сигналом критического порога, — ключева для цифровой обработки сигналов.

«Инженерия такого типа реакции в факторах транскрипции была центральной для того, чтобы позволить нам программировать клетки на выполнение разнообразного набора сложных функций, таких как булева логика, временная фильтрация и даже декодирование частоты», — говорит Халиль.

Этот переход от аналогового к цифровому — кульминация многолетних исследований. Аналого-цифровой преобразователь и другие их синтетические генетические цепи можно использовать для изучения и манипулирования регуляторными программами, управляющими функциями иммунных и стволовых клеток, с конечной целью разработки трансформационных клеточных терапевтических средств из инженерных человеческих клеток.

«Хорошо известно, что природа довела до совершенства очень мощную обработку информации с помощью небольшого числа частей, но точно деконструировать, как это работает, в человеческих клетках практически невозможно из-за их сложности», — добавляет Эллис, не участвовавший в исследовании. «Воссоздав способ обработки информации человеческими клетками на уровне ДНК, но в простой модели дрожжевой клетки с синтетическими частями, они смогли воссоздать сложную передачу сигналов с первых принципов. Это отличный пример того, как мышление инженера может открыть новый способ ответа на важные биологические вопросы».