Синтетическая биология позволяет ученым проектировать генетические схемы, которые можно поместить в клетки, наделяя их новыми функциями, такими как производство лекарств или других полезных молекул. Однако по мере усложнения этих цепей генетические компоненты могут мешать друг другу, что затрудняет выполнение более сложных функций.
Исследователи Массачусетского технологического института теперь продемонстрировали, что эти цепи могут быть изолированы внутри отдельных синтетических «клеток», предотвращая их разрушение друг друга. Исследователи также могут контролировать связь между этими клетками, позволяя комбинировать цепи или их продукты в определенное время.
Это способ использовать силу многокомпонентных генетических каскадов, а также возможность строить стены между ними, чтобы они не пересекались. Они не будут мешать друг другу так, как могли бы. если бы их всех поместили в одну ячейку или в пробирку», - говорит Эдвард Бойден, доцент кафедры биологической инженерии, мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. Бойден также является членом Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и Института исследований мозга Макговерна, а также научным сотрудником факультета HHMI-Simons.
Этот подход может позволить исследователям разрабатывать схемы, которые производят сложные продукты или действуют как датчики, реагирующие на изменения в окружающей среде, среди прочего.
Бойден является старшим автором статьи, описывающей этот метод, в выпуске Nature Chemistry от 14 ноября. Ведущими авторами статьи являются бывший постдоктор Массачусетского технологического института Кейт Адамала, которая сейчас является доцентом Миннесотского университета, и бывший аспирант Массачусетского технологического института Дэниел Мартин-Аларкон. Катриона Гатри-Хонеа, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, также является автором статьи.
Контроль цепи
Команда Массачусетского технологического института инкапсулировала свои генетические цепи в капли, известные как липосомы, которые имеют жировую мембрану, похожую на клеточные мембраны. Эти синтетические клетки не являются живыми, но оснащены большей частью клеточных механизмов, необходимых для чтения ДНК и производства белков.
Сегрегируя цепи в своих собственных липосомах, исследователи могут создавать отдельные подпрограммы цепи, которые не могут работать в одном и том же контейнере одновременно, но могут работать параллельно друг другу, взаимодействуя контролируемым образом. Этот подход также позволяет ученым перепрофилировать одни и те же генетические инструменты, включая гены и факторы транскрипции (белки, которые включают или выключают гены), для выполнения различных задач в сети.
«Если вы разделите цепи на две разные липосомы, у вас может быть один инструмент, выполняющий одну работу в одной липосоме, и тот же инструмент, выполняющий другую работу в другой липосоме», - говорит Мартин-Аларкон.«Это расширяет количество вещей, которые вы можете делать из одних и тех же строительных блоков».
Этот подход также обеспечивает связь между цепями различных типов организмов, таких как бактерии и млекопитающие.
В качестве демонстрации исследователи создали схему, которая использует генетические части бактерий для ответа на молекулу, известную как теофиллин, препарат, похожий на кофеин. Когда эта молекула присутствует, она запускает другую молекулу, известную как доксициклин, которая покидает липосому и входит в другой набор липосом, содержащих генетическую цепь млекопитающих. В этих липосомах доксициклин активирует генетический каскад, производящий люциферазу, белок, генерирующий свет.
Используя модифицированную версию этого подхода, ученые могут создавать схемы, которые работают вместе для производства биологических терапевтических средств, таких как антитела, после обнаружения конкретной молекулы, испускаемой клеткой мозга или другой клеткой.
Если вы представляете себе, что бактериальная цепь кодирует компьютерную программу, а цепь млекопитающих кодирует фабрику, вы можете объединить компьютерный код бактериальной цепи и фабрику цепи млекопитающих в уникальную гибридную систему., - говорит Бойден.
Исследователи также разработали липосомы, которые могут сливаться друг с другом контролируемым образом. Для этого они запрограммировали клетки белками, называемыми SNARE, которые встраиваются в клеточную мембрану. Там они связываются с соответствующими SNARE, обнаруженными на поверхности других липосом, вызывая слияние синтетических клеток. Время этого слияния можно контролировать, чтобы объединить липосомы, которые производят разные молекулы. Когда клетки сливаются, эти молекулы объединяются для создания конечного продукта.
Больше модульности
Исследователи считают, что этот подход можно использовать практически для любого приложения, над которым уже работают синтетические биологи. Это также может позволить ученым заняться потенциально полезными приложениями, которые были опробованы ранее, но заброшены, потому что генетические схемы слишком сильно мешали друг другу.
«То, как мы писали эту статью, не было ориентировано только на одно приложение», - говорит Бойден.«Основной вопрос заключается в следующем: можно ли сделать эти цепи более модульными? Если у вас в клетке все смешано вместе, но вы обнаружите, что цепи несовместимы или токсичны, то возведение стен между этими реакциями и предоставление им возможности общаться с друг другу могут быть очень полезны."
Другое возможное применение этого подхода - помочь ученым изучить, как самые ранние клетки могли развиться миллиарды лет назад. Встраивая простые цепи в липосомы, исследователи могли бы изучить, как клетки могли развить способность ощущать окружающую среду, реагировать на раздражители и размножаться..
Эта система может быть использована для моделирования поведения и свойств самых ранних организмов на Земле, а также для установления физических границ жизни земного типа для поиска жизни в других местах Солнечной системы и за ее пределами, - говорит Адамала.