Новая техника защищает синтетические генетические цепи от разбавления при росте клеток
Генетические инженеры могут создавать сложные генетические цепи для программирования клеток, но ключевые сигнальные молекулы разбавляются по мере роста и деления клеток, что приводит к потере новых функций.
Команда под руководством Сяоцзюнь Тяня из Университета штата Аризона обнаружила способ защитить эти хрупкие генетические программы, используя принцип, заимствованный у природы.
В проекте участвовали эксперты в области синтетической биологии, моделирования и метаболической инженерии: Дэвид Нильсен и Вэньвэй Чжэн.
В новой статье, опубликованной в Cell, исследователи описали технику, которая стабилизирует синтетические генетические цепи, формируя внутри клеток мелкие капелькоподобные компартменты с помощью процесса, называемого жидкостно-жидкостной фазовой сепарацией.
Эти микроскопические капли, называемые транскрипционными конденсатами, действуют как молекулярные "безопасные зоны" вокруг ключевых генов, защищая синтетические модификации от "размывания" в процессе роста клеток.
"Когда мы пытаемся запрограммировать клетки на выполнение полезных задач, таких как диагностика или производство терапевтических средств, генетические программы часто дают сбой, потому что рост клеток разбавляет ключевые молекулы, необходимые для их работы", — говорит Тянь. — "Мы решили эту проблему, используя собственную стратегию клетки — фазовую сепарацию — для защиты инженерных систем".
Заимствование у природы
Клетки используют фазовую сепарацию для организации внутренней среды, создавая компартменты для биохимических реакций без использования мембран. Команда Тяня поняла, что, создавая подобные конденсаты вокруг синтетических генов, можно имитировать эту естественную организацию и поддерживать генетическую стабильность в разных поколениях клеток.
"Мы обнаружили, что, формируя крошечные капли, называемые транскрипционными конденсатами, вокруг генов, мы можем защищать генетические программы и поддерживать их стабильность даже по мере роста клеток", — говорит Чжэн. — "Это простое физическое решение, которое предотвращает разбавление и обеспечивает надежную работу цепей".
Этот подход представляет собой серьезный сдвиг от традиционных стратегий в синтетической биологии, которые в основном были сосредоточены на изменении последовательностей ДНК или регуляторных обратных связей.
Вместо сложных систем контроля команда Тяня ввела физический принцип проектирования, который использует существующую пространственную организацию молекул внутри клеток.
Новый дизайн для самовосстанавливающихся программируемых клеток
Хотя естественные клетки эволюционировали, чтобы использовать конденсаты как встроенную защитную систему, это исследование — одно из первых, показывающих, как её можно перепрофилировать для стабилизации синтетических программ.
"Клетки уже используют эти капли для саморегуляции", — говорит Тянь. — "Теперь мы используем ту же стратегию для синтетической биологии".
Применение этой методологии может помочь исследователям создавать более надежные биологические системы с предсказуемыми функциями.
"Это открывает новый путь для создания более надежных живых систем — от стабильных клеточных фабрик до будущих медицинских применений", — говорит Тянь. — "Наша стратегия может стать новым принципом проектирования для исследователей, которым нужно, чтобы их инженерные клетки работали стабильно".
Микроскопические изображения из исследования показывают яркие светящиеся скопления транскрипционных конденсатов внутри клеток, что служит визуальным доказательством их формирования именно там, где это необходимо для стабилизации генной активности.
"Очень интересно видеть, как эти капли можно использовать для повышения выхода биопродукции", — говорит Нильсен. — "Такое сотрудничество соединяет фундаментальные биологические идеи с реальными приложениями в метаболической инженерии".
Создание стабильности через сотрудничество
Группа Тяня уже исследует, как создавать разные типы конденсатов для контроля различных генов, превращая их в программируемые контрольные центры внутри клеток.
"Мы хотим запрограммировать разные конденсаты для контроля разных генов, создавая "умные" клетки, которые могут адаптироваться и функционировать в долгосрочной перспективе", — говорит он. — "Мы учимся проектировать вместе с клеткой, а не против неё".
Этот подход проектирования в соответствии с природой, а не её подавления, представляет собой ключевой поворот в этой области.
"Исследователи в области синтетической биологии, которые борются с нестабильными цепями, увидят в этом новый способ сделать свои системы более надежными", — говорит Чжэн. — "Инженеры биопроцессов, желающие стабильного выхода, также могут это использовать. Для биофизиков вроде меня интересно видеть, как физические принципы, такие как фазовая сепарация, превращаются в практические инженерные инструменты".
"Эта работа отражает новое направление в синтетической биологии", — заключает Тянь. — "Используя собственные организационные принципы клетки, мы можем создавать системы, которые одновременно мощны и внутренне стабильны".