Синтетическая биология на обычной бумаге: результаты за пределами лаборатории
Исследователи из Института биологически вдохновленной инженерии Висса объявили о новых достижениях в синтетической биологии, которые позволят проводить сложные клеточные реакции распознавания вне живых клеток. Это открывает перспективу создания недорогих, транспортабельных и точных тест-систем, которые с помощью слюны или капли крови смогут идентифицировать конкретные заболевания или инфекции — в любой точке мира, за считанные минуты и без лабораторной поддержки, используя лишь карманный бумажный диагностический инструмент.
Эта идея стала ближе к реальности благодаря двум новым исследованиям, опубликованным сегодня в журнале Cell. Работа стала результатом обширного сотрудничества двух команд института под руководством основных членов факультета Висса Джеймса Коллинза, Ph.D., и Пена Иня, Ph.D.
"За последние пятнадцать лет в синтетической биологии были достигнуты впечатляющие успехи, — сказал Коллинз, который также является профессором биомедицинской инженерии и медицины в Бостонском университете. — Но до сих пор прогресс исследователей был ограничен сложностью биологических систем. Синтетическая биология была заперта в лаборатории, работая внутри живых клеток или в пробирках с жидкими растворами".
Биологические программы на бумаге
Новая in vitro, стерильная, абиотическая "операционная система", на которой можно рационально проектировать синтетические биологические механизмы, — это обычная бумага. Метод основан на инновации для химических бумажных диагностикумов, ранее разработанной членом факультета Висса Джорджем Уайтсайдсом, Ph.D.
"Мы использовали генетический аппарат клеток и внедрили его в волокнистую матрицу бумаги, которую затем можно лиофилизировать для хранения и транспортировки, — сказал ведущий автор и научный сотрудник Висса Кит Парди, Ph.D. — Теперь мы можем вынести синтетическую биологию из лаборатории и использовать ее где угодно".
Используя стандартное лабораторное оборудование и коммерчески доступные бесклеточные системы, Парди создал широкий спектр бумажных диагностических систем и биосенсоров. После создания бумажные инструменты можно лиофилизировать для безопасного хранения при комнатной температуре, сохраняя их эффективность до одного года. Для активации лиофилизированную бумагу нужно просто регидратировать водой.
"Там, где для валидации инструмента внутри живой клетки обычно требуется два или три дня, с помощью бумажной платформы синтетической биологии это можно сделать всего за 90 минут", — отметил Парди.
В качестве доказательства концепции команда продемонстрировала эффективные бумажные инструменты: от генетических переключателей, активируемых малыми молекулами и РНК, до программируемых диагностикумов, способных обнаруживать антибиотикорезистентные бактерии и даже штамм-специфичный вирус Эбола.
Вкладывая "синтетическое" в "синтетическую биологию"
Сенсор на вирус Эбола был создан с использованием нового регулятора генов под названием "toehold switch" (переключатель с упором). Эта новая система контроля экспрессии генов, о которой сообщается во втором исследовании в Cell, обладает беспрецедентной программируемостью и гибкостью.
"В то время как обычная синтетическая биология усложняет точность и функциональность, поскольку полагается на перепрофилирование существующих биологических частей, toehold switch вдохновлен природой, но является полностью новым, de–novo-спроектированным регулятором экспрессии генов", — сказал Пен Инь, старший автор исследования.
Toehold switch работает как точный биосенсор, потому что его можно запрограммировать на реакцию только со специфическими целевыми молекулами, демонстрируя истинное "переключающее" поведение. Он может быть запрограммирован на точное обнаружение РНК-сигнатуры практически любого вида и затем на запуск производства специфического белка.
Этот РНК-органический наноустройство является по-настоящему "синтетическим" регулятором генов с 40-кратно лучшей способностью контролировать экспрессию генов по сравнению с обычными регуляторами.
Объединение технологий
Объединив усилия, две команды Института Висса показали, что toehold switch, столь эффективный в живых клетках для динамического контроля in vivo экспрессии генов, также полностью способен функционировать in vitro на лиофилизированной бумаге.
Сами по себе как бумажные синтетические генетические сети, так и регуляторы toehold switch могут оказать революционное влияние на синтетическую биологию. Но сочетание этих двух технологий может создать основу для мощных, мультиплексных биологических схем и сенсоров, которые можно быстро и недорого собрать для транспортировки и использования в любой точке мира.