Автономное наноустройство для контроля экспрессии генов внесет вклад в медицину

Экспрессия генов — фундаментальный процесс жизни, при котором каждая клетка включает и выключает определенные гены. Автономное устройство, способное управлять этим переключением, имело бы большую ценность для медицины.

Синтетические генетические цепи — это технология контроля экспрессии генов, позволяющая программировать клетки на выполнение нужных функций. Увеличение сложности генетической цепи позволит точнее контролировать судьбу клеток.

Однако сложность генетических цепей остается низкой. Это связано с тем, что в обычных системах "реакция-диффузия" ферменты и субстраты предоставляются раздельно, а неспецифическое связывание ферментов с субстратами вызывает непреднамеренные перекрестные помехи между разными цепями.

Исследователи под руководством Университета Осаки в совместном проекте с Токийским университетом, Университетом Киото и Университетом Васэда создали интегрированные генетические логические чипы — "ген-наноЧИПы". Используя интегрированные на чипах факторы, эти автономные наночипы могут включать и выключать гены в пределах одного чипа, предотвращая непреднамеренные помехи.

Исследователи продемонстрировали автономную работу наночипов в искусственных клетках: восприятие окружающей среды, обработку информации и вывод продукта на уровне одного чипа. Результаты их исследования опубликованы в Nature Nanotechnology.

ДНК-нанотехнология — универсальный метод для создания произвольных структур и контроля точного молекулярного расположения. Исследователи использовали прямоугольный лист (90 нм в ширину, 60 нм в глубину, 2 нм в высоту) и интегрировали на него фермент РНК-полимеразу (RNAP, фермент, синтезирующий РНК с ДНК-матрицы) и несколько целевых генов-субстратов.

Возможность наноразметки в ДНК-нанотехнологии позволила исследователям рационально проектировать уровни экспрессии генов, меняя межмолекулярные расстояния между ферментом и целевыми генами, что влияет на эффективность столкновения и последующей реакции.

Исследователи также интегрировали сенсоры. В идеале сенсор, способный обнаруживать любой тип сигнала, должен иметь минимальные ограничения по конструкции. Однако традиционные методы страдали от ряда ограничений (например, материалов). Это связано с тем, что в обычных генетических цепях сенсор является частью субстрата фермента (например, ДНК в транскрипции).

В данном же исследовании сенсорная часть была независима от ферментативной реакции. Таким образом, исследователи могут использовать любые сенсорные материалы, которые меняют эффективное межмолекулярное расстояние при распознавании сигнала, что позволяет создавать различные сенсоры, реагирующие на разные сигналы (микроРНК, химические соединения, белки и свет). Более того, комбинируя и интегрируя сенсоры, реагирующие на разные сигналы, исследователи добились фоторепрограммирования генетических цепей.

Наконец, наночип позволил упростить создание генетической цепи, реагирующей на искусственную клетку (каплю воды в масле), и вычислить ее профиль микроРНК путем простого смешивания ортогональных чипов, расширив возможности генетической цепи.

Автор-корреспондент Хисаси Тадакума заявляет: "Все факторы, необходимые для реакций транскрипции, находятся на этом интегрированном наночипе, поэтому восприятие окружающей среды, обработка информации и вывод продукта могут быть завершены на уровне одного чипа. В ближайшем будущем автономные наночипы будут полезны для поддержания клетки в здоровом состоянии путем пространственного и временного контроля экспрессии генов, что воплотит в жизнь идею поговорки 'предотвращение — лучшее лечение'".