Biologer opretter værktøjskasse til tuning af genetiske kredsløb

Forskere fra Rice University har skabt et værktøjskasse til syntetiske biologer, der har brug for præcist at indstille input- og outputniveauer for genetiske kredsløb.

Forskningen, som er online i Nature Communications, er en velsignelse for livsforskere, der systematisk konstruerer bakterier og andre organismer til at udføre opgaver, de ikke naturligt ville udføre.

"Probiotika er et eksempel, "sagde Matthew Bennett, lektor i biovidenskab ved Rice og co-leadforsker for det nye studie. "De er gavnlige tarmbakterier, der er afgørende for menneskers sundhed, og mange syntetiske biologer ser på måder at designe probiotika, der kan diagnosticere eller bekæmpe sygdom. Sådanne manipulerede probiotika ville være i stand til at producere lægemidler eller andre komplekse molekyler i menneskekroppen til bekæmpelse af sygdomme lige fra kræft til inflammatorisk tarmsygdom. "

At producere medicin, når og hvor de er nødvendige i kroppen, ville åbne nye døre til bekæmpelse af sygdomme, men, Bennett sagde, syntetiske biologer har kæmpet for at designe kredsløb, der er præcise nok til levering af lægemidler.

"Syntetiske biologer skal oprette gener, der tænder eller slukker som reaktion på miljømæssige signaler, "sagde han." Disse fungerer som sensorer, giver probiotika mulighed for at producere stoffet, når det er nødvendigt baseret på miljømæssige signaler. "

Ved hjælp af bakterierne Escherichia coli, Bennett, kandidatstuderende Ye Chen, postdoktorale forskere Joanne Ho og David Shis og kolleger fra University of Houston, brugte modulære molekylære byggesten til at skabe promotorer, der tænder og slukker gener så meget som nødvendigt.

Mens genetiske kredsløb er som elektriske kredsløb på nogle måder, kontakterne til at tænde og slukke dem er langt mere komplicerede. På egen hånd, gener kan ikke lave de proteiner, de koder. I stedet, specialiserede enzymer læser generne og udskiller proteiner ud fra det, de læser. Genpromotorer er en anden specialist i denne proces.

"En promotor driver et gen, "Bennett sagde." Det starter afkodningen og bestemmer, hvornår genet tændes eller slukkes.

"Syntetiske biologer har konstrueret promotorregioner til at reagere på forskellige kemiske tegn, men vi er blevet hængende med, hvad naturen har givet os, "sagde han." En naturligt forekommende promotor, der reagerer på et kemikalie, opfører sig muligvis ikke godt, når den bruges i et syntetisk genkredsløb. Det tænder eller slukker måske ikke målgenet så meget, som vi gerne vil. Hvis en bakterie ønsker at fornemme et bestemt kemisk signal, det vil tænde eller slukke et gen på den måde, det skal. Det tænder måske lidt, eller det tænder måske meget. Vi havde ikke meget kontrol over det før. "

Ud over, Bennett sagde, mange promotorer er "utætte" i den forstand, at selv når de slukker et gen, producerer det stadig små mængder protein.

"Der er evolutionære grunde til, at lækage kan opstå i naturen, men når du konstruerer et kredsløb, du har brug for mere præcision, " han sagde.

Promotorer er regioner af DNA, der er deladresselinje og delvejledning. De fortæller ikke kun transkriptionsproteiner, hvor de skal begynde at læse et gen, men de regulerer også, hvor stærkt genet tændes - uanset om det producerer meget eller lidt protein. Ved hjælp af en modulær tilgang, Bennetts team udviklede et designskema til at skabe nonleaky promotorer, der tænder så meget som nødvendigt.

Matematikere fra University of Houston Krešimir Josić, Chinmaya Gupta og William Ott beregnede nogle af de specifikke ejendomme, der ville være nødvendige for hver byggesten og arbejdede sammen med Rice -teammedlemmer, der designede, skabt og testet dem i E. coli. Forskellige blokke blev blandet og matchet for at danne et bibliotek med promotorer, hver af dem var designet til at reagere på en bestemt måde på et eller flere kemiske input.

For eksempel, i et genetisk kredsløb, et gen kan programmeres til at tænde, når det modtager en bestemt cue, og produktet af det gen kan være et lille molekyleprotein, der igen aktiverer eller slukker et andet gen. Ved at samle hele sæt af disse gener, syntetiske biologer kan bygge komplekse kredsløb.

"Denne evne er nøglen til konstruktion af syntetiske genregulerende kredsløb, der kræver præcise input- og outputforhold, "Bennett og kolleger skrev i deres Nature Communications -papir." Dette papir giver en enkel, omkostningseffektive midler til tekniske promotorer, der leverer brugerdefinerede dynamiske områder, som vil muliggøre finjustering af den metaboliske flux inden for syntetiske biologiske og kemiske kredsløb inde i levende celler. "

Bennett sagde, at et andet centralt element i projektet var at designe promotorer, der kun kunne aktiveres i nærvær af to eller flere tegn.

"Naturen giver os kun få eksempler på promotorer, der bruger flere input, så designe nonleaky, brugervenlige multi-input-promotorer var en høj prioritet for os, " han sagde.