Человеческое тело состоит из триллионов клеток, микроскопических компьютеров, которые выполняют сложные действия в соответствии с сигналами, которые они получают друг от друга и от окружающей среды. Синтетические биологи конструируют живые клетки, чтобы контролировать их поведение, превращая их гены в программируемые схемы. Новое исследование, опубликованное доцентом Уилсоном Вонгом (BME) в журнале Nature Biotechnology, описывает новую упрощенную платформу для более быстрого и эффективного нацеливания и программирования клеток млекопитающих в виде генетических цепей, даже сложных..
«Проблема, которую пытаются решить синтетические биологи, заключается в том, как мы просим клетки принимать решения и пытаемся разработать стратегию для принятия решения, которое мы хотим», - сказал Вонг.«С этими схемами мы использовали совершенно другой подход к проектированию и создали основу для исследователей, чтобы нацеливаться на определенные типы клеток и заставлять их выполнять различные типы вычислений, что будет полезно для разработки новых методов тканевой инженерии, исследования стволовых клеток и диагностики. приложения, и это лишь некоторые из них."
Исторически инженерные генетические схемы были вдохновлены дизайном схем в электронике, следуя аналогичному подходу с использованием факторов транскрипции, белков, которые вызывают преобразование ДНК в РНК, с которыми сложно работать, потому что трудно предсказать совершенно новую цепь. генетический код. С клетками млекопитающих особенно сложно работать, потому что они представляют собой гораздо более изменчивую среду и демонстрируют очень сложное поведение, что делает электронный подход к проектированию схем в лучшем случае трудоемким, а в худшем - ненадежным..
Подход Вонга использует ДНК-рекомбиназы, ферменты, которые вырезают и вставляют фрагменты последовательностей ДНК, что позволяет более целенаправленно манипулировать клетками и их поведением. Результатом стала платформа под названием «BLADE» или «Булевая логика и арифметика посредством вырезания ДНК», относящаяся к компьютерному языку, которым запрограммированы клетки, и вычислениям, которые они могут выполнять. BLADE позволит исследователям использовать различные сигналы или входы в одном оптимизированном устройстве для управления выходами или поведением клеток, на которые они нацелены.
«Идея заключалась в том, чтобы создать систему, простую и достаточно гибкую, чтобы ее можно было настроить в полевых условиях, чтобы получить любой желаемый результат, используя один простой дизайн, вместо того, чтобы каждый раз перестраивать и пробовать новый дизайн», - сказал Бенджамин Вайнберг, аспирант лаборатории Вонга и первый автор статьи. «По сути, с помощью BLADE вы можете реализовать любую комбинацию вычислений в клетках млекопитающих. Для этой конкретной статьи мы, возможно, не построили конкретное поведение, которое вам нужно, но мы хотели проиллюстрировать, что с помощью BLADE вы сможете создавать схема, необходимая для выполнения желаемого поведения."
В статье, опубликованной в журнале Nature Biotechnology, приводится более сотни примеров схем, которые были успешно построены с использованием платформы BLADE. Вайнберг отметил, что исследователи намеренно построили сложные схемы со сложными функциями, чтобы проиллюстрировать возможности их конструкции, в том числе такие, которые программируют человеческие клетки на сложение или вычитание чисел. Он загрузил планы проектирования в онлайн-репозиторий с открытым исходным кодом, чтобы другие исследователи могли сразу начать загрузку инструментов для использования в своих проектах. Вайнберг продолжит совершенствовать технологию и интегрировать ее в программное обеспечение, чтобы сделать ее еще проще в использовании, а Вонг планирует использовать платформу для изучения медицинских диагностических приложений.
«До BLADE любая из этих схем создавалась и работала несколько лет, а затем вам приходилось использовать метод проб и ошибок, чтобы заставить ее работать так, как вы хотите», - сказал Вонг.. «Я занимаюсь исследованиями в области синтетической биологии уже 15 лет и никогда не видел, чтобы такие сложные схемы работали с первой попытки, как на этой платформе. Мы рады выпустить его, чтобы люди могли начать его использовать, и нам не терпится увидеть, что они придумают».