В поисках диагностики и терапии завтрашнего дня, а также биологических препаратов и чистых химикатов синтетические биологи собирают искусственные сети генов и модульных регуляторных элементов, подобных электронным схемам в компьютерных чипах. Введенные в клетки, эти сети могут воспринимать биологические сигналы, такие как вирусы и маркеры воспаления, или химические вещества, и реагировать, производя репортерный сигнал, терапевтический белок или фермент, который превращает одно вещество в другое.
Сделав шаг вперед, группа ученых из Гарвардского института биологической инженерии им. доски.«Только при наличии определенной комбинации входных сигналов устройство производит желаемый выходной белок. Другим желательным регулирующим элементом для синтетической биологии было бы устройство, которое может делать прямо противоположное - эффективно отключать экспрессию белка в ответ на стимул, когда он больше не нужен.
Теперь команда ученых из Северо-Западного университета Эванстона, штат Иллинойс, и Технического университета Мюнхена разработала два типа программируемых элементов-репрессоров, которые могут отключать производство выходного белка в цепях синтетической биологии с помощью до 300 раз в ответ практически на любую запускающую нуклеотидную последовательность. Исследователи создали библиотеку из более чем 100 репрессоров, из которых до 15 могут работать параллельно в одной цепи. Кроме того, они объединили до четырех репрессорных элементов в универсальных логических элементах И-НЕ (НЕ-И) и ИЛИ-НЕ (НЕ-ИЛИ) в сложных молекулярных логических платах, вычисляющих наличие нескольких входящих сигналов нуклеотидов, чтобы заглушить исходящий сигнал флуоресцентного репортера. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology..
«Наши устройства Repressor Switch добавляют новые возможности в набор инструментов синтетической биологии для исследователей, разрабатывающих синтетические биологические схемы», - сказал соавтор и член основного факультета Института Wyss Пэн Инь, доктор философии. «У них есть потенциал, чтобы открыть возможность более сложных и точных приложений в различных областях диагностики следующего поколения, экологической отчетности, а также биопроизводства». Инь также является профессором системной биологии Гарвардской медицинской школы (HMS) и руководителем инициативы по молекулярной робототехнике Института Висса.
Команда ранее разработала «Toehold Switches», разработанные de novo нити РНК, которые обнаруживают триггерные РНК с практически произвольной последовательностью для активации трансляции связанной последовательности РНК, кодирующей белок, в белок. Дополнительные области в Toehold Switches образуют структуру, похожую на шпильку, которая скрывает короткие последовательности, позволяя рибосоме, молекулярной машине, переводящей РНК в белковую последовательность, связываться с устройством и начинать свою работу. Поступающие триггерные РНК связываются с небольшой последовательностью «зацепки» в переключателе, который открывает шпильку и позволяет рибосоме получить доступ.
В наших РНК-репрессорных переключателях мы по существу инвертировали функцию переключателей Toehold, используя две разные стратегии. Триггерная РНК теперь вызывает структурное изменение в переключателе, которое скрывает сайты связывания рибосомы и начала трансляции кодируемого белка и, таким образом, резко останавливает трансляцию белка», - сказал Александр Грин, доктор философии, соавтор исследования вместе с Инь. «Разрабатывая, совершенствуя и изучая большие библиотеки обоих элементов-репрессоров-переключателей, мы продемонстрировали, что «переключатели-репрессоры Toehold» достигают высокого динамического диапазона, что позволяет нам сильно модулировать выработку зеленого флуоресцентного белка в бактериях E. coli от очень высокого до очень низкий уровень - до 300 раз». Грин, бывший научный сотрудник Инь, присоединился к Институту биодизайна и Школе молекулярных наук ASU в качестве доцента в 2015 году.
«Благодаря немного более низкому динамическому диапазону «репрессорные переключатели с трехсторонним соединением (3WJ)» могут быть более эффективно объединены в сложные модульные схемы для обнаружения нескольких триггерных РНК без помех друг другу», - сказал соавтор Джонмин. Ким, доктор философии который работал постдоком в группе Инь, а сейчас является доцентом Пхоханского университета науки и технологий в Республике Корея. Ким поделилась первым авторством с аспиранткой Грин Ю Чжоу, которая недавно защитила докторскую диссертацию. «Мы объединили до 4 таких репрессорных элементов в воротах NAND и NOR, чтобы условно остановить производство выходного белка. Важно отметить, что эти элементы можно свободно менять местами».
В своей оптимизации репрессорных переключателей 3WJ исследователи объединились с группой Джулиуса Лакса из Северо-Западного университета, которая разработала «SHAPE-Seq», метод, который позволяет ученым сопоставлять функцию молекул РНК с их структурным состоянием в организме. живые клетки. Лакс, доктор философии, адъюнкт-профессор химической и биологической инженерии Северо-Западного университета в Эванстоне. Его группа также независимо разрабатывает другие типы репрессоров на основе РНК, используя различные подходы.
«Это исследование прекрасно иллюстрирует, как Инициатива молекулярной робототехники Института Висс участвует в совместной деятельности, которая преодолевает междисциплинарные и институциональные барьеры для создания программируемых клеточных устройств, которые могут продвигать синтетическую биологию вперед для решения реальных задач», - сказал Wyss Founding. Директор Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона. наук.