Forskere afslører nye forståelser af syntetiske genkredsløb

Nylige opdagelser fra to forskerhold i Ira A. Fulton Schools of Engineering ved Arizona State University fremmer inden for syntetisk biologi.

Lektor Xiaojun Tian og lektor Xiao Wang gennemførte et årlangt samarbejde med deres laboratoriegrupper på School of Biological and Health Systems Engineering, en af ​​de seks Fulton -skoler. Resultater fra deres nye forskning i måder, hvorpå manipulerede genkredsløb interagerer med biologiske værtsceller, er blevet offentliggjort i denne uge i det videnskabelige tidsskrift Naturens kemiske biologi .

Syntetisk biologi anvender tekniske metoder til at designe nye biologiske netværk eller redesigne aspekter af eksisterende biologiske systemer. Det er et hurtigt voksende studieområde, og der er sket mange betydelige fremskridt i løbet af de sidste 20 år.

Tidligt arbejde omfattede oprettelse af syntetiske genkredsløb og placering af dem i naturlige værtsceller.

"Men konceptet med et kredsløb her er abstrakt, "Wang siger." Forestil dig en sekvens af genetiske segmenter, hvor den første koder eller producerer et bestemt protein. Det protein, på tur, enten kan aktivere eller hæmme ekspressionen eller proteinproduktionen fra et andet segment i den genetiske sekvens. Hvis du bliver ved med at udvide denne idé, du kan forestille dig, at det er som et netværk."

Det er denne kæde af indflydelse eller tilskyndelse, der fungerer som et kredsløb, snarere end de fysiske forbindelser inden for den genetiske sekvens. Imidlertid, tidligere forskning har kun fokuseret på adfærden af ​​manipulerede genetiske kredsløb selv, med lidt opmærksomhed på baggrunden eller konteksten repræsenteret af værtsceller.

"Det er svært at forudsige, hvordan disse interaktioner påvirker funktionerne af de konstruerede genetiske kredsløb, "Tian siger, "for ikke at nævne, hvordan man kontrollerer dem og får kredsløbene til at fungere som ønsket inden for komplicerede, virkelige miljøer. "

Ja, disse syntetiske genkredsløb fungerer generelt kun i et laboratoriemiljø, ikke under mere naturtro forhold. Og denne begrænsning hæmmer i høj grad anvendelsen af ​​manipulerede genkredsløb i kliniske omgivelser.

Søger at fremme feltet i den praktiske retning, den nye forskning udført af Tian og Wang undersøgte forholdet mellem de syntetiske genkredsløb og deres værtsceller. Specifikt, de undersøgte virkningen af ​​"hukommelses" kredsløb implanteret i værtsceller, og påvirkningen af ​​genkredsløbets topologier, "eller arkitekturen for sammenkoblinger mellem kredsløbskomponenter, i forhold til værtscellevækst.

I forbindelse med dette arbejde, tanken om hukommelse vedrører fortsættelsen af ​​indflydelse eller inducering inden for et konstrueret genkredsløb, selv med fravær af en stimulus.

"Tænk på en lyskontakt i dit hus, "Wang siger." Lyset forbliver tændt, selv når du fjerner din finger fra kontakten. Vi henviser til den vedvarende tilstand som hukommelse."

Tian og Wangs nye forskning afslørede, at hukommelseskredsløbstopologier er væsentligt påvirket af værtscelleadfærd.

"Vi verificerede, at påvirkninger udveksles mellem genkredsløbet og værtscellen, "Siger Tian." Det vil sige, kredsløbet påvirker værtscellen, hvilket til gengæld har indflydelse på kredsløbet. Det er som en løkke.

"Men vi viste også, at indvirkningen på et kredsløbs funktionalitet er afhængig af dets topologi, "siger han." Så, én kredsløbstopologi viser bedre ydeevne end andre i et dynamisk værtsmiljø."

Deres opdagelse, der relaterer kredsløbstopologi til en værtscelles indvirkning på kredsløbsfunktion, er den første inden for syntetisk biologi, og det udvider en meningsfuld videnskabelig forståelse af disse komplekse interaktioner.

"Det baner vejen for at bygge robust, konstruerede genkredsløb, "Tian siger." Disse kan en dag forbedre interventioner mod metastase af kræft, for eksempel, ved at bremse kræftcellernes evne til at omsætte deres udvikling."

Fremskridt fra den forskning, som Tian og Wang har offentliggjort, inkluderer undersøgelse af virkningen af ​​at tilføje yderligere syntetiske genkredsløb eller moduler til værtsceller, hvilket øger kompleksitetsniveauet væsentligt, da moduler konkurrerer om ressourcer i det cellulære system.

Wang siger, at School of Biological and Health Systems Engineering inden for Fulton Schools er særligt godt placeret til opdagelser inden for syntetisk biologi.

"Vi har en kritisk masse af dedikerede mennesker, som er strategisk investeret i at fremme dette forskningsområde på lang sigt, " siger han. "Så, vi søger at være førende på dette område."