Компьютерное моделирование ускоряет создание новых функций в клетках млекопитающих

Синтетические биологи разрабатывают правила для управления активностью человеческих клеток, подобно тому, как изменение инструкций в компьютерной программе меняет её выполнение.

Клетки — это сложные машины с множеством взаимодействующих генетических «цепочек» (circuits), которые координируют такие функции, как миграция, метаболизм и деление. Цель синтетической биологии — создавать генетические цепи, наделяющие клетки новыми функциями, которые в будущем можно будет использовать для мониторинга и лечения болезней.

Однако ключевой проблемой в этой области является длительный процесс проб и ошибок при создании работоспособной цепи. Учёные, финансируемые Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB), объединили усилия, чтобы использовать компьютерное моделирование для сокращения этого процесса.

Инженер Джош Леонард (Северо-Западный университет) и специалист по компьютерному моделированию Неда Багери (Вашингтонский университет) совместно работают над ускоренным и надёжным созданием генетических программ.

Обычно трудно предсказать, будет ли генетическая цепь работать, пока её не протестируют вживую. Эта коллаборация ставит целью создавать программы, которые работают с первого раза, потому что вычислительные модели заранее проводят виртуальные испытания.

Команда использовала кастомизированные симуляции для анализа десятков генетических цепей с разными функциями (например, включение или выключение генов в ответ на сигналы). Наиболее перспективные конструкции были собраны и протестированы. Результат удивил исследователей: почти все цепи, спроектированные таким образом, работали в точном соответствии с прогнозами модели.

«В моём опыте почти ничто в науке не работает с первого раза», — отметил Леонард. Обычный процесс включает тестирование множества вариантов, изучение результатов и отладку.

Ускоренное тестирование на моделях позволило команде создавать и проверять работающие цепи, выполняющие всё более сложные задачи. Например, программирование клетки на оценку нескольких факторов среды (например, перепроизводства вредного белка или метаболита) и принятие решения о доставке терапевтического «груза».

«Теперь у нас есть как надёжный набор инструментов, так и формальный процесс проектирования для создания функций регуляции генов», — говорит ведущий автор работы Джозеф Малдун. Следующим шагом станет применение этих возможностей для решения биомедицинских задач.

Эта работа — значительный шаг к эффективному созданию генетического «набора инструментов» для широкого сообщества биомедицинских инженеров. Новые методы в сочетании с компьютерным моделированием позволят создавать специализированные клеточные функции для задач от фундаментальных исследований до новых методов лечения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.