Поиск эффективных биологических инструментов - это марафон, а не спринт, даже если дистанции находятся на микроуровне. Открытие в Университете Райса о том, как инженерные сообщества клеток взаимодействуют друг с другом, - это большой шаг в правильном направлении.
Лаборатория Райса синтетического биолога Мэтью Беннета разработала набор транскрипционных цепей, которые при добавлении (и экспрессии) к геномам одноклеточных микробов позволяют им быстро формировать сеть локальных взаимодействий, чтобы стимулировать коллективные действия, даже в больших сообществах.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Chemical Biology, показывает, что сконструированные штаммы кишечной палочки передают сигналы по заполненному бактериями коридору и координируют свои действия. Способность делать это может привести к созданию микробов, которые лечат состояния микробиома кишечника или взаимодействуют с биоэлектроникой.
«Клетки часто используют химические сигналы для общения и передачи информации друг другу», - сказал Беннетт. «Однако химические сигналы имеют ограниченный диапазон. После того, как они покидают клетку, они диффундируют через любую среду, в которой находятся клетки, и это не может распространяться далеко.
"В этом исследовании мы рассмотрели созданную нами предыдущую систему, которая использует два разных штамма и разные типы связи между ними, чтобы изучить, как она будет реагировать, когда мы увеличим размер колонии, содержащей эти штаммы, " - сказал он.
Доказательства появляются не только в видео из лаборатории, на котором группы микробов пульсируют, когда они подают друг другу сигналы на протяжении всего эксперимента, но и в математических моделях, часто сотрудничающих с профессором математики Дже Кён Ким. в Корейском передовом институте науки и технологий и Крешимир Джосио, профессор математики Хьюстонского университета и адъюнкт-профессор биологических наук в Райс.
Микробы были модифицированы для экспрессии белков, которые активировали петли положительной и отрицательной обратной связи. Чтобы охарактеризовать эффект модификаций, исследователи разделили их на четыре набора: либо все положительные, либо все отрицательные, либо комбинированные положительные и отрицательные петли обратной связи.
Затем они смогли увидеть, что положительные петли, которые активировали сигналы, были наиболее эффективными для облегчения общения. «Мы обнаружили, что петля положительной обратной связи необходима для синхронизации экспрессии генов в пространственно протяженных системах, в которых клетки не могут напрямую общаться друг с другом».
Это не значит, что негативные цепи или репрессоры ничего не делали. «Вам нужна отрицательная обратная связь, чтобы создавать и стабилизировать колебания», - сказал Беннетт. «Это делает систему более устойчивой к возмущениям окружающей среды».
Беннетт сказал, что в предыдущих экспериментах у клеток не было проблем с общением между небольшими микрожидкостными камерами.«Там диффузия сигнальной молекулы очень быстрая и в основном глобальная», - сказал он. «Все клетки могут разговаривать друг с другом, потому что это такое замкнутое пространство.
«В нашей новой системе это просто неправда», - сказал Беннетт. «Клетки могут разговаривать только со своими ближайшими соседями и не имеют возможности общаться с теми, кто находится на другом конце колонии. Несмотря на это, мы обнаружили, что колебания, генерируемые цепями, которые мы поместили в эти два штамма, все еще способны синхронизироваться между собой. пространство и время."
На самом деле сигналы, которые, как они думали, должны были пройти несколько часов, чтобы пройти от одного конца камеры до другого, почти сразу вызвали синхронные колебания.
«Мы выяснили некоторые факторы, которые важны для этого, типы петель обратной связи, которые увеличивают синхронизацию в этих больших протяженных колониях», - сказал он. «Это важно, потому что по мере того, как синтетические биологи движутся к проектированию более крупных многоклеточных систем, мы должны быть в состоянии контролировать не только то, что происходит внутри одной клетки, но и координировать то, что происходит в пространстве и времени во всей популяции."
Исследователи обнаружили, что им нужно было дать своим клеткам передышку для эффективного общения, поэтому они открыли «двери» вдоль коридора. «Мы думаем, что это связано со стабильностью штаммов», - сказал Беннетт. «Когда у вас есть два разных типа, они пассивно конкурируют за место, толкаясь, когда растут и делятся.
«Вы можете получить локальные колебания, когда клетки могут смещаться в одну сторону. Это создает нестабильность и серьезно усложняет связь между клетками», - сказал он. «Мы обнаружили, что открытие этих ловушек стабилизировало пространственный состав колонии».
Прежде чем такие схемы можно будет развернуть в клинике, предстоит еще многое сделать, но Беннетт видит путь вперед. «В конце концов мы хотим иметь возможность создавать многоклеточные системы, которые будут делать практические вещи», - сказал он. «Конечно, если бы мы точно следовали тому, что сделала природа, мы бы далеко продвинулись, потому что природа очень хорошо создала многоклеточные системы, которые делают интересные вещи.
"Но это не значит, что эволюция нашла единственный способ что-то делать."