Ученые Университета Райса создали набор инструментов для синтетических биологов, которым необходимо точно настроить входные и выходные уровни генетических цепей.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, является благом для ученых-биологов, которые систематически конструируют бактерии и другие организмы для выполнения задач, которые они в естественных условиях не выполняют.
"Пробиотики являются одним из примеров", сказал Мэтью Беннетт, доцент кафедры биологических наук в Райс и один из ведущих ученых нового исследования.«Это полезные кишечные бактерии, которые необходимы для здоровья человека, и многие синтетические биологи ищут способы разработки пробиотиков, которые могут диагностировать болезни или бороться с ними. Такие инженерные пробиотики смогут производить лекарства или другие сложные молекулы в организме человека, чтобы бороться с различными заболеваниями, от рака до воспалительных заболеваний кишечника."
Производство лекарств, когда и где они необходимы в организме, откроет новые возможности для борьбы с болезнями, но, по словам Беннетта, синтетические биологи изо всех сил пытались разработать схемы, достаточно точные для доставки лекарств.
«Синтетическим биологам необходимо создать гены, которые включаются или выключаются в ответ на сигналы окружающей среды», - сказал он. «Они действуют как датчики, позволяя пробиотику производить лекарство, когда это необходимо, на основе сигналов окружающей среды».
Используя бактерию Escherichia coli, Беннетт, аспирант Йе Чен, постдокторские исследователи Джоанн Хо и Дэвид Шис и их коллеги из Хьюстонского университета использовали модульные молекулярные строительные блоки для создания промоторов, которые включают и выключают гены настолько, насколько это возможно. нужно.
Хотя генетические цепи в чем-то похожи на электрические цепи, переключатели для их включения и выключения гораздо сложнее. Сами по себе гены не могут производить белки, которые они кодируют. Вместо этого специализированные ферменты считывают гены и уничтожают белки на основе того, что они считывают. Промоутеры генов - еще один специалист в этом процессе.
«Промоутер управляет геном», - сказал Беннетт. «Он инициирует декодирование и определяет, когда ген включен или выключен.
«Синтетические биологи разработали области-промоторы, чтобы они реагировали на различные химические сигналы, но мы застряли на том, что дала нам природа», - сказал он. «Природный промотор, реагирующий на химическое вещество, может плохо себя вести при использовании в цепи синтетического гена. Он может не включать или выключать целевой ген так сильно, как нам хотелось бы. Если бактерия хочет почувствовать определенный химический сигнал, он включит или выключит ген так, как ему нужно. Это может включить его немного, или это может включить его много. Раньше у нас не было особого контроля над этим».
Кроме того, по словам Беннета, многие промоторы «дырявые» в том смысле, что даже когда они выключают ген, он все равно производит небольшое количество белка.
«Существуют эволюционные причины, по которым в природе могут возникать утечки, но когда вы проектируете схему, вам нужна большая точность», - сказал он.
Промоутеры - это участки ДНК, которые частично являются адресной строкой и частично инструкцией по эксплуатации. Они не только сообщают транскрипционным белкам, с чего начать считывание гена, но и регулируют, насколько сильно включается ген - производит ли он много или мало белка. Используя модульный подход, команда Беннета разработала схему создания герметичных промоутеров, которые включаются по мере необходимости.
Математики из Университета Хьюстона Кресимир Джосик, Чинмая Гупта и Уильям Отт рассчитали некоторые специфические свойства, которые потребуются для каждого строительного блока, и работали с членами команды Райс, которые спроектировали, создали и протестировали их в E.коли. Различные блоки были смешаны и подобраны, чтобы сформировать библиотеку промоторов, каждый из которых был разработан, чтобы реагировать определенным образом на один или несколько химических входов.
Например, в генетической цепи один ген может быть запрограммирован на включение, когда он получает определенный сигнал, а продуктом этого гена может быть белок с небольшой молекулой, который, в свою очередь, активирует или выключает другой ген. Соединяя вместе целые наборы этих генов, биологи-синтетики могут создавать сложные схемы.
«Эта способность является ключевой для создания регуляторных цепей синтетических генов, которые требуют точных взаимосвязей между входом и выходом», - написали Беннетт и его коллеги в своей статье Nature Communications. «В этой статье представлены простые и экономичные средства разработки промоутеров, которые обеспечивают определяемые пользователем динамические диапазоны, что позволит точно настроить метаболический поток в синтетических биологических и химических цепях внутри живых клеток».
Беннетт сказал, что еще одним ключевым элементом проекта была разработка промоутеров, которые могли быть активированы только при наличии двух или более сигналов.
«Природа дает нам лишь несколько примеров промоутеров, которые используют несколько входов, поэтому разработка непротекающих, простых в использовании промоутеров с несколькими входами была для нас первоочередной задачей», - сказал он..