Учёные создали новый инструмент для синтетической биологии

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новый метод контроля экспрессии генов в бактериальных колониях. Метод основан на инженерии динамических изменений числа копий ДНК синхронизированным образом. Результаты опубликованы 10 июля 2017 года в онлайн-издании Nature Genetics.

До сих пор методы контроля или программирования бактериальных клеток основывались на транскрипционной и посттранскрипционной регуляции. Новая методика, описанная командой под руководством профессора биоинженерии и биологии Джеффа Хасти, включает разрезание кольцевых фрагментов бактериальной ДНК — плазмид, что эффективно уничтожает ДНК и выключает регуляцию.

Исследование также демонстрирует, как можно увеличить концентрацию ДНК, чтобы включить синтетическую генную цепь. Контролируя число копий ДНК, учёные могут эффективно регулировать экспрессию генов.

Синтетическая биология, которая может включать изменение биологических систем для определённых целей, становится инженерной дисциплиной. Теперь команда добавляет в арсенал синтетического биолога новый инструмент — своего рода «главные часы», которые позволят координировать подпроцессы в бактериальных клетках.

«Это замечательное достижение — ключевой строительный блок для контроля микробиомов», — сказал профессор Роб Найт. «Контролируя разные штаммы с помощью одних и тех же главных часов или предоставляя разным штаммам свои собственные часы, мы можем начать проектировать динамику на уровне популяции для управления специфическими функциями микробиома».

Примеры таких функций могут включать взаимодействие с клетками хозяина в определённое время суток (например, запрограммированный выброс нейротрансмиттеров, производимых бактериями) или взаимодействие с другими бактериями (например, выработка противогрибковых веществ, запускаемая приёмом пищи, богатой сахаром).

Программирование часов

Исследователи использовали эндонуклеазу из Saccharomyces cerevisiae (вида дрожжей), экспрессируемую вместе с плазмидой, содержащей сайт узнавания нуклеазы, чтобы временно снизить число копий плазмиды ниже естественного уровня.

«Мы обнаружили, что репликация плазмид настолько сильна, что мы не смогли разрезать их все», — сказал Хасти. «Это была хорошая новость, потому что это означало, что мы можем снизить экспрессию гена, но не устранить её полностью».

Учёные предположили, что метод можно использовать для регуляции целого набора генов и промоторов, и проверили свою идею, используя ранее созданную схему для генерации устойчивых колебаний концентрации плазмидной ДНК в колонии клеток E. coli.

Схема работает, используя малую молекулу AHL для координации экспрессии генов в колонии бактериальных клеток. Благодаря положительной обратной связи, чем больше AHL накапливается, тем больше его производится. Поскольку AHL достаточно мал, чтобы диффундировать между клетками и включать промотор в соседних клетках, активируемые им гены также будут производиться в больших количествах, что приводит к явлению, известному как чувство кворума. Команда Хасти использовала эндонуклеазу для уменьшения числа этих плазмид в колонии и применила этот механизм в качестве отрицательной обратной связи для генерации колебаний в экспрессии генов. Используя чувство кворума, система обратной связи была связана по всей колонии клеток.

«Мы наблюдали регулярные колебания экспрессии генов в микрофлюидных камерах на разных масштабах длины колонии и в течение длительных периодов времени», — сказал Хасти. «Включив элементы как для положительной, так и для отрицательной регуляции числа копий, мы смогли повысить устойчивость схемы».