Биологи-синтетики превращают микробные клетки в живые устройства, способные выполнять полезные задачи, начиная от производства лекарств, тонких химикатов и биотоплива и заканчивая обнаружением болезнетворных агентов и высвобождением терапевтических молекул внутри организма. Для этого они оснащают клетки искусственными молекулярными механизмами, которые могут воспринимать такие раздражители, как токсины в окружающей среде, уровни метаболитов или воспалительные сигналы. Подобно электронным схемам, эти синтетические биологические схемы могут обрабатывать информацию и принимать логические решения. Однако, в отличие от своих электронных аналогов, биологические схемы должны быть изготовлены из молекулярных компонентов, которые могут производить клетки, и они должны работать в переполненной и постоянно меняющейся среде внутри каждой клетки.
Пока что синтетические биологические схемы могут воспринимать только несколько сигналов, что дает им неполную картину условий в клетке-хозяине. Они также состоят из нескольких движущихся частей в виде различных типов молекул, таких как ДНК, РНК и белки, которые должны находить, связываться и работать вместе, чтобы ощущать и обрабатывать сигналы. Выявление молекул, которые хорошо взаимодействуют друг с другом, затруднено и делает разработку новых биологических цепей трудоемким и часто непредсказуемым процессом.
Как сообщается в журнале Nature, команда Гарвардского института биологической инженерии им. принимать логические решения для контроля производства белка с высокой точностью. Подход исследования привел к созданию генетически кодируемого РНК-наноустройства, которое может выполнять беспрецедентную логическую операцию с 12 входами для точной регуляции экспрессии флуоресцентного репортерного белка в бактериях E. coli только при столкновении со сложным, предписанным пользователем профилем интра- клеточные раздражители. Такие программируемые наноустройства могут позволить исследователям создавать более сложные синтетические биологические схемы, позволяющие им эффективно анализировать сложные клеточные среды и точно реагировать.
«Мы демонстрируем, что молекула РНК может быть преобразована в программируемое и логически действующее «Рибокомпьютерное устройство», - сказал член основного факультета Института Висс Пэн Инь, доктор философии. Д., который руководил исследованием, а также является профессором системной биологии Гарвардской медицинской школы. «Этот прорыв на стыке нанотехнологий и синтетической биологии позволит нам разработать более надежные синтетические биологические схемы, которые гораздо лучше осознают влияние окружающей среды, имеющее отношение к конкретным целям».
В исследовании группа Инь объединилась с преподавателями и соавторами основного факультета Wyss Джеймсом Коллинзом, доктором философии, и Пэм Сильвер, доктором философии. Коллинз также является профессором медицинской инженерии и науки в Термеере и профессором биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте (MIT); а Сильвер - профессор биохимии и системной биологии Они Х. Адамс на факультете системной биологии Гарвардской медицинской школы.
Подход команды развился из ее предыдущей разработки так называемых «Toehold Switches», впервые опубликованных в 2014 году, которые представляют собой программируемые наноструктуры, похожие на шпильки, сделанные из РНК. В принципе, РНК-переключатели могут контролировать выработку специфического белка: когда желаемая комплементарная «триггерная» РНК, которая может быть частью естественного репертуара РНК клетки, присутствует и связывается с зацепом-переключателем, структура шпильки разрывается. Только тогда рибосомы клетки получат доступ к РНК и произведут желаемый белок.
Мы хотели в полной мере воспользоваться программируемостью переключателей Toehold и найти разумный способ их использования для расширения возможностей живых клеток по принятию решений. Теперь с помощью рибокомпьютерных устройств мы можем связать производство белка с конкретными комбинациями. множества различных входных РНК и активировать производство только тогда, когда это позволяют условия», - сказал соавтор и соавтор Александр Грин, доктор философии.
Грин вместе с Инь разработал Toehold Switches и начал настоящее исследование в качестве постдокторанта в команде Инь. Его наставником также был Коллинз, вместе с которым он помог разработать бумажную диагностику различных вирусов с использованием переключателей для пальцев. В настоящее время Грин является доцентом Института биодизайна и Школы молекулярных наук Университета штата Аризона, где он продолжил эксперименты со своим аспирантом и соавтором Дуо Ма.
Как только мы выяснили, как использовать Toehold Switches и молекулы РНК для кодирования основных логических операций - И, ИЛИ и НЕ, мы смогли сконцентрировать эту функциональность в тщательно разработанной молекуле, которую мы называем воротами. РНК Использование воротной РНК делает рибокомпьютерные устройства гораздо более генетически компактными и помогает масштабировать схемы, чтобы клетки могли принимать более сложные решения», - добавил Грин.
Мы даже успешно внедрили две независимые гейт-РНК, экспрессирующие разные флуоресцентные белки в бактериальной клетке, что открыло возможность сконструировать несколько гейт-РНК для одновременной работы в одной и той же клетке для создания биосенсоров для целых клеток. Кроме того, мы считаем, что проверенные и испытанные рибокомпьютерные устройства можно легко переносить на различные микроорганизмы», - сказал Чонмин Ким, доктор философии, соавтор исследования и научный сотрудник, работающий с Инь.
Рибокомпьютерные устройства могут использоваться не только в различных живых организмах, но и в бесклеточных приложениях.«Эти основанные на логике РНК могут быть лиофилизированы на бумаге и, таким образом, расширят возможности бумажных биологических цепей, включая диагностику, которая может обнаруживать и интегрировать несколько сигналов, связанных с заболеванием, в клиническом образце», - сказал Коллинз.
Изобретение вычислительных наноустройств, сделанных из живого материала в форме РНК, и концепция рибокомпьютинга, предложенная Пэн Инем и его командой, чрезвычайно расширяют возможности, которые можно исследовать с помощью приложений синтетической биологии в живых клетках., Эта область движется все быстрее и быстрее с каждым годом, и это представляет собой еще один скачок вперед», - сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в Гарвардской медицинской школе. Программа биологии в Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.