Создана самая сложная синтетическая биологическая схема

Синтетические биологи создают клеточные схемы, используя гены как взаимозаменяемые части, чтобы наделить клетки новыми функциями, например, способностью чувствовать условия окружающей среды. Однако сложность таких схем ограничивалась критическим узким местом: трудностью сборки генетических компонентов, которые не мешали бы друг другу.

В отличие от электронных схем на кремниевой пластине, биологические схемы внутри клетки нельзя физически изолировать. «Клетка — это что-то вроде буррито. В ней всё перемешано», — говорит Кристофер Войт, доцент биологической инженерии MIT.

Поскольку весь клеточный механизм для считывания генов и синтеза белков перемешан, исследователи должны следить, чтобы белки, управляющие одной частью их синтетической схемы, не мешали другим её частям.

Войт и его студенты разработали компоненты схем, которые не мешают друг другу, что позволило создать самую сложную из когда-либо построенных синтетических схем. Схема, описанная в выпуске Nature от 7 октября, интегрирует четыре сенсора для разных молекул. Такие схемы можно использовать в клетках для точного мониторинга окружающей среды и соответствующего реагирования.

«Это невероятно сложно — сшить вместе все эти части», — говорит Войт, содиректор Центра синтетической биологии MIT. Для создания более крупных схем потребуются компьютерные программы, над которыми сейчас работают Войт и его студенты; они должны позволить комбинировать сотни схем новыми и полезными способами.

Расширение возможностей

Ранее Войт создавал бактерии, способные реагировать на свет и фиксировать изображения, а также обнаруживать низкий уровень кислорода и высокую плотность клеток — оба условия часто встречаются в опухолях. Однако независимо от конечного результата большинство его проектов и проектов других синтетических биологов используют небольшой набор известных генетических частей. «Мы просто снова и снова переупаковывали одни и те же схемы», — говорит Войт.

Чтобы увеличить количество возможных схем, исследователям понадобились компоненты, которые не мешали бы друг другу. Они начали с изучения бактерии, вызывающей сальмонеллёз, у которой есть клеточный путь, контролирующий впрыскивание белков в человеческие клетки. «Это очень жёстко регулируемая схема, поэтому она хорошо подходит в качестве синтетической», — поясняет Войт.

Этот путь состоит из трёх компонентов: активатора, промотора и шаперона. Промотор — это участок ДНК, где белки связываются для инициации транскрипции гена. Активатор — один из таких белков. Некоторым активаторам для связывания с ДНК и начала транскрипции также требуется белок-шаперон.

Исследователи нашли 60 различных версий этого пути у других видов бактерий и обнаружили, что большинство задействованных в каждом из них белков достаточно отличаются, чтобы не мешать друг другу. Однако между несколькими компонентами схемы наблюдалась небольшая перекрёстная реакция, поэтому учёные использовали метод направленной эволюции, чтобы уменьшить её. Направленная эволюция — это метод проб и ошибок, который включает мутацию гена для создания тысяч похожих вариантов, а затем их тестирование на наличие желаемого признака. Лучшие кандидаты снова мутируют и отбираются, пока не будет создан оптимальный ген.

Айндрила Мукхопадхьяй, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, отмечает, что объём работы по устранению неполадок для создания каждого функционального модуля впечатляет. «Многих привлекает идея создания сложных генетических схем. Это исследование даёт ценные примеры типов оптимизаций, которые, возможно, придётся провести для достижения таких целей», — говорит Мукхопадхьяй, не входившая в исследовательскую группу.

Многоуровневые схемы

Чтобы синтетические схемы можно было наслаивать друг на друга, их входы и выходы должны быть совместимы. У электрической схемы вход и выход — всегда электричество. У этих биологических схем входы и выходы — это белки, которые управляют следующей схемой (либо активаторы, либо шапероны).

Эти компоненты могут быть полезны для создания схем, способных ощущать различные условия окружающей среды. «Если клетке нужно найти правильную микросреду — глюкозу, pH, температуру и осмолярность [концентрацию растворённых веществ] — по отдельности они не очень специфичны, но наличие всех четырёх факторов сильно сужает круг поиска», — объясняет Войт.

Исследователи сейчас применяют эту работу для создания сенсора, который позволит дрожжам в промышленном ферментёре отслеживать собственную среду и соответствующим образом регулировать свою продукцию.