Гены в живых клетках активируются - или нет - белками, называемыми транскрипционными факторами. Механизмы, с помощью которых эти белки активируют одни гены и деактивируют другие, играют фундаментальную роль во многих биологических процессах. Однако эти механизмы чрезвычайно сложны, и ученые годами пытаются раскрыть их секреты.
Ученые обычно изучают экспрессию генов, вводя определенные последовательности ДНК в клетки и наблюдая за реакцией клеток. Но этот трудоемкий метод сложен и может варьироваться от одного эксперимента к другому. Сделав важный шаг вперед, ученые из Лаборатории характеристики биологических сетей (LBNC) EPFL под руководством Себастьяна Меркла разработали количественный воспроизводимый метод изучения и даже прогнозирования экспрессии генов. Он использует бесклеточную систему в сочетании с высокопроизводительным микрожидкостным устройством. Их работа позволила им создать синтетические биологические логические ворота, которые однажды можно будет использовать для изменения клеточных функций. Исследование опубликовано в PNAS.
Микроканалы и бесклеточные процессы
Наданай Лаохакунакорн, соавтор исследования, объясняет, как работает этот метод: «Сначала мы извлекаем материал изнутри клеток. Эта «бесклеточная» система состоит из ферментов и химических веществ, которые клетки используют для выполнения своих функций. нормальные биологические процессы. Интересно, что мы можем возобновить экспрессию генов вне клетки, снабдив экстракт топливом и информацией в виде высокоэнергетических фосфатов и ДНК. Поскольку этот процесс точно имитирует то, что происходит в живых клетках, мы можем использовать нашу платформу исследовать ряд биологических явлений без необходимости каждый раз модифицировать живые клетки."
Для количественного изучения экспрессии генов ученые изучили тысячи бесклеточных реакций на микрожидкостном чипе, то есть устройстве, используемом для манипулирования микроскопическими количествами жидкости. «Мы смогли протестировать несколько различных сценариев и создать количественную библиотеку синтетических факторов транскрипции, что позволило нам предсказать влияние данного белка на ген», - говорит Зои Суонк, еще один соавтор исследования. «Наш метод можно расширить для создания довольно сложных систем».
Метод ученых имеет ряд преимуществ. Во-первых, бесклеточные системы могут имитировать системы внутри клеток, но они намного проще, и их механизмы можно смоделировать математически. Это означает, что они могут способствовать пониманию более сложных биологических явлений, разбивая их на более простые части.
Во-вторых, бесклеточные системы надежны и остаются стабильными после замораживания (и даже лиофилизации), что позволяет производить их в больших масштабах и развертывать в приложениях от недорогой диагностики до производство биопрепаратов, таких как вакцины, для персонализированной медицины. И в-третьих, поскольку бесклеточные системы не являются живыми, их можно использовать для производства соединений, выходящих за рамки традиционных методов биопроизводства. И они не представляют риска самовоспроизведения или биозагрязнения за пределами лабораторной среды.
Биологические логические ворота
В рамках своего исследования исследователи собрали ряд генов из своей библиотеки, чтобы построить биологические логические ворота. В электронике логический вентиль принимает на вход электронные сигналы, выполняет вычисления и генерирует двоичный выход: единицу или ноль. Точно так же биологические логические ворота ученых принимают на вход факторы транскрипции и генерируют двоичный результат: ген либо включен (активирован), либо выключен (подавлен).
«В живых клетках естественным образом существует множество логических ворот, которые используют их для регулирования нормальной биологической функции», - говорит Лаохакунакорн. «Создавая искусственные ворота, мы получаем возможность внедрять в клетки новые функции, например, в терапевтических целях. Бесклеточная система является первым шагом в этом направлении, и будущая работа может включать в себя оптимизацию дизайна наших факторов транскрипции с использованием платформы, прежде чем развертывать их непосредственно в бесклеточном приложении или повторно вводить их обратно в живые клетки».