Forskere kontrollerer celler med lys,

Bakterier, der reagerer på rødt, grønt og blåt lys har produceret nogle slående trefarvede kunstværker, der har gjort runderne online, men det bidrag, de yder til syntetisk biologi, er endnu mere imponerende.

De kunstneriske bakterier blev konstrueret af Chris Voigt, professor i biologisk teknik ved Massachusetts Institute of Technology, og hans team, der ønsker at programmere celler til at udføre funktioner og også bygge materialer nedefra og op.

"Celler er utrolige atomarkitekter. De er i stand til at bygge meget præcise materialer, du ikke kan gøre med kemi, "Voigt siger." Og du kan gøre det under omgivende forhold i stedet for at bruge giftige opløsningsmidler. "De offentliggjorde deres undersøgelse i denne uge i Nature Chemical Biology.

Konstruerede bakterier kan være nyttige for os på alle mulige måder. De kunne være designet til at bygge væv eller materialer, eller identificere sygdom hos en patient og administrere en nøjagtig dosis medicin til det rigtige sted. De kunne sværme rødderne af en plante i jorden og levere en præcis mængde gødning. De kan producere jernpartikler, når de vokser, som kunne blive komponenter i elektronik, der er en hybrid af biologi og maskine.

Et bossystem til programmering af celler

For at realisere den fremtid, forskere skal blive bedre til at programmere celler. Det er her den nyeste teknik, kaldet et RGB -system - for rødt, grøn og blå - kommer ind. Den bygger på mere end et årti med forskning i Voigts laboratorium, i særdeleshed, et projekt, han udgav i 2005, som beskrev en måde at komme på Escherichia coli bakterier til at lave sort-hvide fotos.

2005-sort-hvidt system bestod af fire gener, 4, 000 basepar (CG- og AT-baserne i et dobbeltstrenget molekyle), og tre stykker DNA kaldet promotorer, der starter den første handling, et gen tager for at gøre dets instruktioner til et produkt, såsom et protein.

Tingene er blevet mere komplicerede siden da.

Teamets RGB -system består af 18 gener, 14 promotorer, samt andre bit af DNA kaldet terminatorer og plasmider, og 46, 198 basepar.

"På en måde, det går fra en bølgelængde af lys til tre, men fordi du gør det hele inde i cellen, det bliver eksponentielt svært at få mange ting til at fungere godt, og det krævede meget teknologi, "Siger Voigt.

Teknologien til programmering af cellerne omfattede optogenetik (en måde at kontrollere celler med lys) et programmeringssprog for celler kaldet Cello, som Voigt og hans team udviklede sidste år og en ny metode til styring af genfunktioner kendt som CRISPR.

Ved hjælp af disse og andre værktøjer fra syntetisk biologi, de designede en celle med følgende dele:

• Et sensorarray lavet af fytokromer, lysreceptorerne i planter
• Et genetisk kredsløb, der behandler lyssignalerne
• En komponent kaldet en ressourceallokator, der forbinder kredsløbet med en aktuator, der er ansvarlig for at producere en rød, grønt eller blåt pigment

Cellen kunne fornemme lysets tre farver, behandle oplysningerne med de genetiske kredsløb og fordi forskerne var i stand til at kontrollere, hvad generne gjorde med informationen - hvordan de udtrykte det - cellerne genererede røde, grøn, og blå pigment.

I en petriskål, mikroberne "malede" et frugtstilleben, et geometrisk firbenmotiv og et springende Super Mario.

Beyond Bacteria Art

Fordi forskerne kontrollerer genekspression, de kunne bruge lysene til at lave andre ting udover at lave kunst. I en test, forskerne kontrollerede cellens evne til at producere acetat. At forstå feedback -systemet for acetat er afgørende for mange industrielle processer, såsom fremstilling af smagsstoffer, opløsningsmidler og brændstoffer, hvor ingeniører i nogle tilfælde ønsker acetatet, men i andre tilfælde, de må ikke.

Voigt siger, at RGB -systemet også kunne bruges til at bygge molekyler, en proces, der kræver bestemte sæt reaktioner, der skal forekomme på bestemte tidspunkter. At tænde og slukke lyset på bestemte tidspunkter kan udløse metaboliske veje og enzymer på det rigtige tidspunkt for at lave naturlige sødestoffer og lægemidler.

Og fordi disse celler styres af lys, de kunne fjernstyres.

Til det næste projekt, Voigt vil gerne bygge en større, mere komplekst system. Men han og hans team ved, at det bliver en udfordring. Det viser sig, at når de tilføjede mange genetiske komponenter til cellen, de ellers ikke -toksiske dele begyndte at hæmme cellens vækst og i nogle tilfælde, Dræb dem.

"Hvad er det ved systemets design, der gør det svært for cellen at fungere korrekt?" Spørger Voigt.

At finde svaret kan indebære en vis kreativitet.