Rød, grøn, og blåt lys kan bruges til at kontrollere genekspression i manipuleret E. coli

MIT-forskere har konstrueret bakterier med "flerfarvesyn" - E. coli, der genkender rødt, grøn, eller blåt (RGB) lys og, som svar på hver farve, udtrykker forskellige gener, der udfører forskellige biologiske funktioner.

For at vise teknologien frem, forskerne producerede flere farvede billeder på kulturplader - hvoraf den ene udtaler "MIT" - ved at bruge RGB-lys til at kontrollere pigmentet produceret af bakterierne. Uden for laboratoriet, teknologien kan også vise sig nyttig til kommerciel, farmaceutiske, og andre applikationer.

E. coli er programmeret med et protein- og enzymbaseret system, analogt med en computerchip, med flere forskellige moduler til at behandle lysinputtet og producere et biologisk output. Med hensyn til computere, en "sensor array" bliver først aktiveret i nærvær af enten rød, grøn, eller blåt lys, og et "kredsløb" behandler signalet. Derefter, en "ressourceallokator" forbinder den behandlede information til "aktuatorer", der implementerer den tilsvarende biologiske funktion.

Tænk på den nye E. coli som mikrobielle marionetter, med farvet lys i stedet for dukkestrenge, der får bakterierne til at virke på en bestemt måde, siger MIT professor i biologisk ingeniørvidenskab Chris Voigt, medforfatter til en artikel i Nature, der beskriver teknologien. "Ved at bruge forskellige farver, vi kan kontrollere forskellige gener, der bliver udtrykt, " han siger.

Avisens medforfattere er tidligere postdocs Jesus Fernandez-Rodriguez, Felix Moser, og Miryoung Song.

Syntetisk-biologisk innovation kommer sammen

I 2005, Voigt, som medleder Synthetic Biology Center ved MIT, og andre forskere var banebrydende for et "bakterielt kamera" ved at programmere en lyssensor ind i en stamme af E. coli, sammen med et gen, der producerede sort pigment. Når lys skinnede gennem en stencil på en bakteriebelagt plade, mikroberne dannede sort-hvide billeder. På det tidspunkt, denne bedrift krævede kun fire gener og tre promotorer - DNA-regioner, der initierer gentranskription - for at få arbejdet gjort.

Nye syntetiske biologiværktøjer, såsom genom-redigeringssystemet CRISPR, er dukket op siden da, åbne bredere muligheder for forskere. I modsætning til 2005-systemet, det nye RGB-system - det første til at bruge tre farver - består af 18 gener og 14 promotorer, blandt andet samt 46, 000 basepar DNA.

Men med større kompleksitet følger større udfordringer. Fordi forskerne havde at gøre med et sensorarray, der kunne detektere tre separate farver, for eksempel, de var nødt til at inkludere et protein i det mikrobielle program, der forhindrer gentranskription af de to ubrugte sensorer.

Med hensyn til computere, dette kaldes en "NOT gate, "et kredsløb, der producerer et udgangssignal - i dette tilfælde, genundertrykkelse - kun når der ikke er et signal på dets input. Med bakterier under rødt lys, for eksempel, NOT-porten ville frigive det gen-undertrykkende protein på de grønne og blå sensorer, slukke for dem.

For omkring fem år siden, Voigt ledede et hold, der konstruerede mikrober til at reagere på rødt og grønt lys. Tilføjelse af en tredje sensor var en stor udfordring for den nye forskning. "Inde i cellen, alle de nye proteinsensorer, du tilføjer, forstyrrer hinanden, fordi det alle sammen er molekyler, der støder rundt i cellen, og de kræver alle at holde cellen i live og glad. Med hver ekstra sensor, du tilføjer, der bliver eksponentielt sværere, " han siger.

I den forbindelse Voigt tilføjer, systemets ressourceallokator, en ny funktion, fungerer også som afbryder, at slukke for sensorerne, hvis alle tre tænder på én gang, overbelastning af cellen.

Fra et genteknologisk perspektiv, konfigurationen med fire undersystemer var "den største effekt af dette arbejde, " siger Voigt. Hvert delsystem - sensorarrayet, kredsløb, ressourceaktuatorer, og aktuatorer - blev designet, bygget, og optimeret isoleret, inden de samles til en endelig struktur. Dette forenklede, modulær proces kan bane vejen for mere kompleks biologisk programmering i fremtiden, ifølge forskerne.

Generelt sagt, Voigt ser det nye system som en kulmination på et årti med syntetisk-biologiske innovationer. "Det er en repræsentation af, hvor vi er i øjeblikket, og alle de stykker, der skulle samles i løbet af det sidste årti for at skabe systemer af denne skala og kompleksitet, " han siger.

Fremstilling af "disco-bakterier"

For at lave de nye farvebilleder, forskerne programmerede bakterier til at producere det samme pigment som det røde, grøn, eller blåt lys skinnede på dem. I en inkubator, forskerne har belagt en petriskål med bakterier, der er genetisk identiske. "Du kan tænke på det som uudviklet film, hvor du har petriskålen med bakterier på, " siger Voigt, "og kameraet er kuvøsen."

I toppen af ​​kuvøsen er der et hul, hvor et stencileret billede projiceres på pladen. Over tid, bakterierne vokser, producerer et enzym, der producerer et pigment, der svarer til hvilken RBG-farve de er oplyst af. Ud over MIT-logoet, forskerne producerede billeder af forskellige mønstre, flerfarvet frugt, og videospilsfiguren Super Mario.

De konstruerede bakterier kan også bruges til hurtigt at starte og stoppe mikrobers kemiske reaktioner i industrielle fermenteringsprocesser, som bruges til fremstilling af lægemidler og andre produkter. I dag, at kontrollere sådanne kemiske reaktioner kræver, at forskellige kemiske tilsætningsstoffer dumpes i store gæringskar, hvilket er tidskrævende og ineffektivt.

I deres papir, forskerne demonstrerede dette "kemikalier on-demand" koncept i lille skala. Brug af CRISPR-genredigeringsværktøjer, de modificerede tre gener, der producerer acetat - et til tider uønsket biprodukt af forskellige bioprocesser - for at producere mindre af kemikaliet som reaktion på RGB-lys.

"Individuelt, og i kombination med hinanden, de forskellige lysfarver reducerer acetatproduktionen uden at ofre biomasseakkumulering, " skrev forskerne i deres papir.

Voigt har opfundet et morsomt navn for disse industrielle mikrober. "Jeg omtaler dem som 'disco-bakterier, '" han siger, "fordi forskellige farvede lys blinker inde i fermentoren og styrer cellerne."

En fremtidig ansøgning, Voigt tilføjer, kunne være i at kontrollere celler til at danne forskellige materialer og strukturer. Forskere, inklusive nogle på MIT, er begyndt at programmere celler til at samles til levende materialer, som en dag kunne bruges til at designe solceller, selvhelbredende materialer, eller diagnostiske sensorer.

"Det er fantastisk, når man ser på verden og ser alle de forskellige materialer, " siger Voigt. "Ting som cellulose, silke proteiner, metaller, nanotråde, og levende materialer som organer – alle disse forskellige ting i naturen får vi fra celler, der vokser ind i forskellige mønstre. Du kan forestille dig at bruge forskellige farver af lys til at fortælle cellerne, hvordan de skal vokse som en del af opbygningen af ​​dette materiale."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.