Новые инструменты для продвижения био-логики: исследователи создают более сложные синтетические генетические цепи

Исследователи из Университета Райса и Медицинского центра Университета Канзаса создают генетические цепи, способные выполнять более сложные задачи, путем замены белковых строительных блоков.

Модульные генетические цепи, сконструированные из частей геномов неродственных бактерий, могут быть настроены на одновременную обработку нескольких химических входных сигналов с минимальным взаимным влиянием.

Работа, опубликованная в журнале Американского химического общества ACS Synthetic Biology, предоставляет ученым больше возможностей при проектировании синтетических клеток для конкретных задач, таких как производство биотоплива, восстановление окружающей среды или лечение заболеваний человека.

Исследователи создают сложные генетические логические цепи, аналогичные тем, что используются для построения традиционных компьютеров и электронных устройств. В простой цепи, если присутствует один входной сигнал и другой, цепь выполняет свою инструкцию. В генетической цепи, основанной на этом типе булевой логики, это может привести к созданию определенного белка при обнаружении двух химических веществ — или к репрессии (подавлению) создания этого белка в ДНК клетки.

По мере развития инструментов синтетической биологии создавать простые цепи стало легче, но для решения сложных проблем требуются более совершенные инструменты. Команда Мэтью Беннетта из Университета Райса следует пути, аналогичному пути программистов, чьи возможности выросли от простой игры Pong до иммерсивных миров современных игр.

"Одна из конечных целей этой технологии — позволить клеткам чувствовать и реагировать на окружающую среду программными способами", — сказал Беннетт, доцент биохимии и клеточной биологии. — "Мы хотим иметь возможность программировать клетки, чтобы они попадали в среду и делали то, что должны".

Исследование под руководством аспиранта Райса Дэвида Шиса использовало генетический набор химерных (состоящих из частей разного происхождения) транскрипционных факторов. Эти модульные белки объединяют способность регулировать гены одного транскрипционного фактора и способность чувствовать окружающую среду другого. Исследователи показали, что до четырех химер с одинаковыми ДНК-связывающими модулями могут работать вместе и служить логическими элементами с несколькими входами, либо репрессируя, либо отменяя репрессию определенных генов. Они успешно протестировали способность комбинаций химер в бактерии Escherichia coli повышать или понижать экспрессию гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок.

"Часто при создании генетического логического элемента вам нужны многие гены в фоновом режиме, чтобы он работал", — сказал Беннетт. — "Нам удалось устранить эту необходимость, запрограммировав транскрипционные факторы — специфические белки, которые включают и выключают гены — непосредственно реагировать на окружающую среду и активировать конкретный ген очень модульным способом".

Беннетт видит множество областей применения синтетической биологии: использование клеток для мониторинга или восстановления загрязнения окружающей среды, программирование их на поиск опухоли в организме и реакцию на нее. Для этого необходимо научить клетки чувствовать среду опухоли и соответствующим образом реагировать в зависимости от обнаруженных химических веществ.

Сложные синтетические цепи, способные адаптироваться "на лету", могут быть полезны и в метаболической инженерии, например, в ферментации, где может потребоваться изменение регуляции генов по мере развития процесса. Новые цепи могут чувствовать разные сахара в культуре и направлять регуляцию генов для максимизации производства.