Простая генетическая схема формирует полосы: Синтетическая биология помогает учёным разобраться в образовании паттернов
Многие живые организмы имеют полосы, но процессы развития, создающие эти и другие паттерны, сложны и трудно поддаются изучению. Теперь команда учёных создала простую генетическую схему, которая формирует полосатый паттерн, и может управлять им, изменяя всего один ген.
«Ключевые компоненты могут быть скрыты в сложном физиологическом контексте», — сказал Теренс Хва, профессор физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего и один из руководителей исследования, опубликованного 14 октября в Science. «Природные системы создают всевозможные удивительные паттерны, но проблема в том, что никогда не знаешь, что на самом деле ими управляет».
Взяв гены одного вида бактерий и вставив их в другой, Хва и коллеги из Гонконгского университета собрали генетическую петлю из двух связанных модулей. Эта система чувствует, насколько плотной стала группа клеток, и реагирует, контролируя их движение.
Один из модулей выделяет химический сигнал — ацил-гомосеринлактон (AHL). По мере роста бактериальной колонии AHL заполняет накапливающиеся клетки, заставляя их беспорядочно кувыркаться на месте, а не плавать. Застряв в агаре чашки Петри, они образуют скопления.
Поскольку AHL не диффундирует очень далеко, несколько клеток вырываются и уплывают, чтобы начать процесс заново.
Оставленные на ночь, клетки создают мишеневидный паттерн из концентрических колец плотных и рассеянных бактериальных клеток. Изменяя всего один ген, который ограничивает скорость и расстояние плавания клеток, исследователи смогли контролировать количество создаваемых колец. Они также могут манипулировать паттерном, меняя время, за которое AHL разрушается.
Хотя отдельные бактерии — это одноклеточные организмы, колонии могут действовать как многоклеточный организм, посылая и принимая сигналы для координации роста и других функций. Это означает, что фундаментальные правила, управляющие развитием этих паттернов, могут быть применимы к ключевым этапам развития других организмов.
Чтобы раскрыть эти фундаментальные правила, Хва и коллеги охарактеризовали работу своей синтетической генетической схемы двумя способами.
Во-первых, они точно измерили активность отдельных генов в схеме на протяжении всего цикла «кувыркание-плавание». Затем они вывели математическое уравнение, описывающее вероятность переключения клеток между движениями «плавание» и «кувыркание».
Дополнительные уравнения описывают другие аспекты системы, такие как динамика синтеза, диффузии и деактивации одного из химических сигналов между клетками — AHL.
Этот трёхсторонний подход — эксперименты «в пробирке», точные измерения результатов и математическое моделирование системы — характеризует зарождающуюся дисциплину количественной биологии, отметил Хва. «Это прототип, модель того вида биологии, которым мы хотим заниматься».