Синтетические биологические схемы могут реагировать за секунды
Исследователи MIT разработали новый подход к созданию синтетических биологических схем, который позволяет им реагировать на входные сигналы в течение секунд, а не часов или дней. Ключевое отличие — отказ от медленных процессов транскрипции и трансляции генов в пользу быстрых, обратимых белок-белковых взаимодействий.
Принцип работы
- В основе схемы лежит сеть из 14 белков (из дрожжей, бактерий, растений и человека), модифицированных для взаимной регуляции.
- Взаимодействия происходят через процессы фосфорилирования / дефосфорилирования.
- Схема работает как триггерный переключатель (toggle switch), способный быстро и обратимо переходить между двумя стабильными состояниями и "запоминать" событие.
Демонстрация возможностей
- Сенсор с памятью: Схема в дрожжевых клетках активируется при обнаружении сорбитола. Сигнал — флуоресцентный белок в ядре. Память о событии передается следующим поколениям клеток. Сбросить состояние можно с помощью изопентениладенина.
- Контроль деления: Другая версия схемы способна отключать способность клеток к делению после обнаружения сорбитола.
Преимущества и перспективы
- Скорость: Отклик схемы происходит за секунды (до 1 секунды), а не часы.
- Чувствительность: Массивы таких клеток могут обнаруживать концентрации целевой молекулы в миллиардных долях (parts per billion).
- Открытие в природе: Вычислительная модель, созданная для проектирования схем, позволила обнаружить шесть сложных триггерных сетей в естественных дрожжевых клетках, которые ранее не были описаны.
- Применения: Разработка ультрачувствительных сенсоров для загрязнителей окружающей среды, диагностических систем в клетках млекопитающих для мониторинга уровня гормонов или глюкозы. В перспективе — схемы в человеческих клетках для предупреждения о передозировке лекарств или приближающемся сердечном приступе.
Как отмечает старший автор работы профессор Рон Вайсс, переход на такие высокие скорости «будет очень важен для расширения возможных применений синтетической биологии».