Team udvikler genkredsløbsdesignstrategi for at fremme syntetisk biologi

I løbet af de sidste 17 år, forskere og ingeniører har udviklet syntetiske genkredsløb, der kan programmere funktionaliteten, ydeevne, og levende cellers adfærd. Analogt med integrerede kredsløb, der ligger til grund for utallige elektroniske produkter, konstruerede genkredsløb kan bruges til at generere defineret dynamik, rewire endogene netværk, fornemme miljøstimuli, og producere værdifulde biomolekyler.

Disse genkredsløb lover meget i medicinske og bioteknologiske applikationer, såsom bekæmpelse af superfejl, produktion af avancerede biobrændstoffer, og fremstilling af funktionelle materialer.

Til dato, de fleste kredsløb er konstrueret gennem en trial-and-error måde, som er stærkt afhængig af en designers intuition og ofte er ineffektiv, sagde University of Illinois Bioengineering Associate Professor Ting Lu. "Med stigningen i kredsløbskompleksitet, manglen på prædiktive designretningslinjer er blevet en stor udfordring i at realisere potentialet i syntetisk biologi, " sagde Lu, som også er tilknyttet Carl R. Woese Institute for Genomic Biology and Physics Department i Illinois.

Forskere har vendt sig til kvantitativ modellering for at løse denne genkredsløbsdesignudfordring. Typiske modeller betragter genkredsløb som isolerede enheder, der ikke interagerer med deres værter og kun fokuserer på de biokemiske processer i kredsløbene, bemærkede Lu.

"Selvom det er meget værdifuldt, det nuværende modelleringsparadigme er ofte ude af stand til kvantitativt, eller endda kvalitativt nogle gange, beskrive kredsløbsadfærd, " sagde han. "Stigende eksperimentelle beviser har antydet, at kredsløb og deres biologiske vært er tæt forbundet, og deres kobling kan påvirke kredsløbsadfærd betydeligt."

Lu og hans kandidatstuderende, Chen Liao og Andrew Blanchard, for nylig adresserede udfordringen ved at konstruere en integreret modelleringsramme til kvantitativt at beskrive og forudsige genkredsløbsadfærd. Ved brug af Escherichia coli ( E coli ) som modelvært, rammen består af en grovkornet, men mekanistisk beskrivelse af værtsfysiologi, der involverer dynamisk ressourceopdeling, flerlags kredsløb-vært kobling, og et detaljeret kinetisk modul af eksogene kredsløb.

Holdet viste, at efter træning, rammen var i stand til at fange og forudsige et stort sæt eksperimentelle data vedrørende værten og simpel genoverekspression. For eksempel, de opdagede, at ppGpp-medierede effekter er nøglen til at forstå konstitutiv genekspression under miljøændringer, herunder ændringer i både næringsstoffer og antibiotika. Holdet demonstrerede også platformens anvendelighed ved at anvende den til at undersøge et vækstmodulerende feedback-kredsløb, hvis dynamik er kvalitativt ændret af kredsløb-værtskoblinger og afsløre adfærden af ​​en skiftekontakt på tværs af skalaer fra enkeltcellede dynamik til befolkningsstruktur og til rumlig økologi.

Selvom Lu's ramme blev etableret ved hjælp af E. coli som modelvært, det har potentiale til at blive generaliseret til at beskrive flere værtsorganismer. "For eksempel, vi fandt det, ved kun at variere en enkelt parameter, rammen forudsagde med succes adskillige centrale værtsmålinger, inklusive RNA-til-protein-forhold, RNA indhold pr. celle, og gennemsnitlig peptidforlængelsehastighed, til Salmonella typhimurium og Streptomyces coelicolor , " sagde Lu.

Ifølge Lu, dette arbejde fremmer den kvantitative forståelse af genkredsløbsadfærd, og letter transformationen af ​​gennetværksdesign fra trial-and-error-konstruktion til rationel forward engineering. Ved systematisk at illustrere centrale cellulære processer og flerlags kredsløb-vært interaktioner, den kaster yderligere lys over kvantitativ biologi mod en bedre forståelse af kompleks bakteriel fysiologi.

Værket er beskrevet i Lus papir, "En integrativ kredsløbsværtsmodelleringsramme til at forudsige syntetiske gennetværksadfærd, " offentliggjort i den 25. september, 2017 udgave af Naturens mikrobiologi .