Биологические схемы для синтетической биологии

Синтетическая биология — быстрорастущая область, где исследователи конструируют новые или перепроектируют существующие биологические системы для решения задач, недоступных природным системам (например, производство биотоплива или лекарств). Однако развитие технологии сдерживается неэффективностью методов проб и ошибок на ранних стадиях.

Для создания более безопасных и эффективных сложных функций в микроорганизмах синтетические биологи стремятся разработать биологические схемы. Ключевым компонентом таких схем является РНК — многофункциональная молекула, способная чувствовать малые молекулы и регулировать гены.

Группа под руководством Адама Аркина из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (DOE) и Калифорнийского университета в Беркли добилась прорыва: им удалось создать систему, в которой сигналы регуляции передаются напрямую через РНК, без участия белков. Это важно, так как белки сложны для проектирования, предсказания и могут замедлять динамику работы схемы.

Как это работает:

• Исследователи использовали механизм антисмысловой РНК-опосредованной аттенюации транскрипции из бактериальной плазмиды Staphylococcus aureus pT181.
• На его основе были созданы ортогональные варианты РНК-аттенюаторов, которые можно настроить на восприятие РНК-входного сигнала и синтез РНК-выходного сигнала.
• Эти варианты могут независимо регулировать несколько генов в одной клетке (в данном случае в Escherichia coli) и выполнять логические операции.

Значение работы:

• Впервые в одной биологической молекуле удалось объединить три регуляторные функции, характерные для полупроводникового транзистора.
• Система демонстрирует предсказуемость и следует простым правилам композиции при сборке в сети.
• Подход, основанный на процессивном процессе транскрипции, является более надежным по сравнению с методами, зависящими от молекулярных взаимодействий в пространстве.

По словам Аркина, результаты предоставляют синтетическим биологам новый универсальный набор РНК-транскрипционных регуляторов, который может изменить подход к проектированию генетических сетей. Стратегия создания ортогональных вариантов из природных РНК-систем применима и к другим механизмам регуляции генов.

«Хотя РНК обладает меньшей функциональностью, чем белки, физика полимеров на основе нуклеиновых кислот делает механизмы на основе РНК более простыми для конструирования и эволюции. Наша цель — создать революцию в инструментах синтетической биологии, аналогичную той, что привела к успеху в проектировании и внедрении интегральных схем».

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) под названием "Versatile RNA-sensing transcriptional regulators for engineering genetic networks".