Синтетические биологи добавили высокоточную аналого-цифровую обработку сигналов в генетические схемы живых клеток. Исследование, описанное сегодня онлайн в журнале Science, значительно расширяет химические, физические и экологические сигналы, которые инженеры могут использовать, чтобы вызывать запрограммированные реакции у сконструированных организмов.
Используя биохимический процесс, называемый кооперативной сборкой, Калеб Башор из Университета Райса, Ахмад «Мо» Халил из Бостонского университета (BU) и их коллеги из Массачусетского технологического института, Гарварда, Института Броуда и Университета Брандейса разработали генетические схемы, которые смогли оба декодируют частотно-зависимые сигналы и проводят динамическую фильтрацию сигналов.
«Вы можете думать о кооперативности как о такой же функции обработки сигналов, которая дает вам аналого-цифровой преобразователь, устройство, которое берет что-то, что в основном линейно, и превращает это во что-то вроде переключателя», - сказал Башор. со-ведущий автор исследования и доцент биоинженерии в Школе инженерии Райс Браун.
Синтетическая инженерия кооперативной сборки позволила исследователям выполнять тот тип комбинаторной обработки сигналов, который клетки естественным образом и изящно выполняют для выполнения сложных задач, таких как эмбриональное развитие и дифференцировка.
«Эта работа представляет собой демонстрацию силы синтетической биологии, в которой рассматривается важный вопрос о том, как клетки обрабатывают информацию на уровне ДНК», - сказал Том Эллис, читатель отдела инженерии синтетического генома на факультете биоинженерии Имперского колледжа Лондона., который не участвовал в исследовании. «Хорошо известно, что природа усовершенствовала очень мощную обработку информации с помощью небольшого количества частей, но точно понять, как это работает, в человеческих клетках практически невозможно из-за их сложности. Воссоздав способ обработки информации клетками человека на уровне ДНК, но в простой модели дрожжевой клетки с синтетическими частями, они смогли воссоздать сложную передачу сигналов из первых принципов. Это отличный пример того, как мышление инженера может открыть новый способ ответа на основные вопросы биологии».
В природе клеткам часто приходится принимать черно-белые решения на основе серой информации. Например, представьте, что у клетки есть ген, который позволяет ей выживать в очень кислой среде, но требуется много энергии, чтобы активировать этот ген и получить защиту. Через миллиарды лет естественного отбора клетки, которые активируют ген слишком рано или слишком поздно, проигрывают тем, кто принимает решение в оптимальное время, чтобы обеспечить выживание и затратить наименьшее количество энергии.
«Такой тип точности является желательным свойством и для синтетических схем», - сказал Башор, который присоединился к Райс в 2018 году и начал проект несколькими годами ранее во время постдокторской работы в BU.«Природа часто делает это посредством процесса, называемого кооперативной самосборкой, когда несколько белков, называемых факторами транскрипции, самособираются в более крупный комплекс. Только когда они объединяются, включается переключатель».
Башор, Халил и его коллеги разработали совместную самосборку, изобретя модульную систему синтетических белковых компонентов, которые могут собираться в комплексы различного размера. В этой системе спроектированные ячейки запрограммированы на производство компонентов сборки в ответ на любой ввод, который инженеры хотят использовать для активации схемы. Например, в своих экспериментах Башор, Халил и их коллеги запрограммировали дрожжи так, чтобы они реагировали на два разных препарата, которые вводились в разных концентрациях с помощью микрожидкостного устройства.
Таким образом, концентрация молекул компонентов, образующихся внутри дрожжей, росла и падала в ответ на аналоговый ввод - концентрацию лекарств в тестовой камере.
«В основном эти компоненты связываются друг с другом с чрезвычайно слабым взаимодействием», - сказал Башор.«Но все эти слабые взаимодействия складываются в более крупный комплекс, образуя нечто действительно тесное. Поэтому, когда их очень мало, они не образуют комплекса. И когда они достигают критической концентрации, они видят друг друга, и они могут в основном собраться вместе и сформировать комплекс».
Четкость ответа, который происходит быстро и точно в назначенное время, является ключом к цифровой точности. Башор и Халил разработали активационные комплексы, содержащие от двух до шести компонентов фактора транскрипции, и их эксперименты показали, что чем больше комплекс, тем острее критическая реакция.
«Внедрение этого типа реакции в факторы транскрипции имело ключевое значение для того, чтобы позволить нам программировать клетки для выполнения разнообразных сложных функций, таких как логическая логика, зависящая от времени фильтрация и даже частотное декодирование», - сказал Халил, исследователь. соответствующий автор исследования.
Башор сказал, что большая часть четырехлетнего проекта была потрачена на уточнение прогностической модели, которая может помочь другим инженерам использовать систему для разработки аналого-цифровых преобразователей, которые могут реагировать должным образом даже на несколько входящих сигналов.
Чтобы продемонстрировать этот аспект работы, команда разработала и продемонстрировала схемы обработки сигналов, напоминающие микроэлектронику, в том числе фильтры нижних частот, которые реагировали только на низкочастотные входы лекарств, и режекторные фильтры, которые активировались только при высокие частоты.
«Наша работа показывает, как нелинейность комплексов транскрипционных факторов может быть использована для разработки обработки сигналов в синтетических генных цепях, расширения их функциональности и полезности в реальном мире», - сказал биолог-синтетик и соавтор исследования Джеймс Коллинз, который занимает совместные должности в Массачусетском технологическом институте, Гарварде и Институте Броуда.
В будущем лаборатория Bashor's Rice планирует использовать аналого-цифровой преобразователь и другие синтетические генные схемы для изучения и манипулирования регуляторными программами, которые управляют функциями иммунных и стволовых клеток, с прицелом на разработку трансформационной клеточной терапии. из сконструированных клеток человека.