Синтетические гены позволяют строить внутриклеточные структуры по модульному принципу, подобно IKEA

Исследователи из Школы инженерии Сэмьюэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Университета Рима Тор Вергата (Италия) разработали синтетические гены, функционирующие подобно генам живых клеток.

Искусственные гены могут строить внутриклеточные структуры через каскадную последовательность, собирающую самоорганизующиеся структуры по частям. Этот подход аналогичен сборке мебели из модульных блоков, как в IKEA: используя одни и те же детали, можно собрать множество разных конструкций, а также легко разобрать набор и использовать части для чего-то другого.

Это открытие прокладывает путь к использованию набора простых строительных блоков, которые можно запрограммировать для создания сложных биомолекулярных материалов, например, наноразмерных трубок из ДНК-плиток. Те же компоненты можно запрограммировать и на разборку конструкции для создания других материалов.

Исследование было недавно опубликовано в Nature Communications под руководством Элизы Франко, профессора механической, аэрокосмической инженерии и биоинженерии в UCLA. Первый автор — Даниэла Соррентино, постдок лаборатории динамических нуклеиновых систем Франко.

"Наша работа предлагает путь к масштабированию сложности биомолекулярных материалов за счёт использования времени как параметра для молекулярных инструкций по самоорганизации, а не за счёт увеличения количества молекул, несущих такие инструкции", — сказала Франко.

Сложные организмы развиваются из одной клетки посредством последовательных делений и событий дифференцировки. Эти процессы включают множество биомолекул, координируемых генными каскадами, которые управляют временем и местом активации генов.

В исследовании учёные использовали строительные блоки — ДНК-плитки, сформированные несколькими синтетическими цепями ДНК. Раствор, содержащий миллионы таких плиток, позволил им взаимодействовать и формировать микрометровые трубчатые структуры. Структуры образуются только в присутствии специфической молекулы РНК-триггера. Другая молекула РНК-триггера может вызвать разборку тех же структур.

Затем они запрограммировали различные синтетические гены для производства РНК-триггеров в определённое время, что позволило точно контролировать время формирования и растворения ДНК-структур.

Соединив эти гены вместе, они создали синтетический генетический каскад, подобный каскаду у плодовой мушки. Он может контролировать не только время формирования или распада определённого типа ДНК-структур, но и их конкретные композиционные свойства в заданный момент времени.

"Наш подход не ограничивается ДНК-структурами, его можно расширить на другие материалы и системы, которые зависят от времени биохимических сигналов", — сказала Соррентино.

Соавтором исследования также является Симона Раньолло из Университета Рима Тор Вергата.