Et skridt mod skabelsen af ​​materialer styret af kunstige gener

Vores kroppes gener arbejder sammen om at regulere, hvordan vores celler opfører sig. Hvis du f.eks. flår dit knæ, bruger dine gener et kemisk meddelelsessystem til at lede en hær af celler til at helbrede sliddet. Hvis videnskabsmænd kunne skabe kunstige gener, der kunne udføre de samme funktioner, men operere inde i materialer i stedet for organismer, ville en lang række nye diagnostiske, selvhelbredende materialer være mulige.

Et team ledet af Johns Hopkins ingeniør Rebecca Schulman lægger grundlaget for dette arbejde ved at konstruere syntetiske kemiske systemer, der kan efterligne den komplekse adfærd i naturlige gennetværk. Deres arbejde dukkede for nylig op i Nature Chemistry .

"Celler bruger gener til at bestemme, hvordan de skal bevæge sig, vokse og handle. Evnen til at lave simple 'gener', der kan træffe beslutninger på egen hånd, kan føre til bedre diagnostik eller terapi eller endda give måder til at bygge nye typer af bløde materialerobotter som er styret af kemi i stedet for elektronik," sagde Schulman, der er lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og associeret forsker ved Whiting School of Engineering's Institute for NanoBioTechnology.

Den menneskelige krop omfatter omkring 25.000 gener, og de kemiske interaktioner, som disse gener bruger til at regulere celler, har mange trin og bevægelige dele. Forskere har erfaret, at de ikke behøver omhyggeligt at genskabe hver eneste af disse naturlige biologiske trin for at skabe syntetiske genanaloger, der er i stand til at udføre de samme funktioner. For at forbedre og bedre forudsige opførselen af ​​genanaloger skabte Schulman og hendes team et molekylært værktøjssæt, som inkluderer geneletter (meget små gener, hvis funktioner kan variere, afhængigt af instruktionerne), og forenklede matematiske modeller, der forudsiger, hvordan geneletterne vil opføre sig.

Holdets forenklede genelet-system bruger DNA, summen af ​​en organismes genetiske information; RNA, som formidler genetisk information til de dele af en celle, der producerer proteiner; et polymeraseenzym, der transskriberer DNA for at lave RNA-kopier; og et RNase-enzym, der nedbryder RNA. Ved blot at bruge disse enkle elementer kan Schulman-teamets system tilpasse sig og nulstilles, efterhånden som miljøet ændrer sig, ligesom naturlige gener i kroppen gør.

"En af udfordringerne er, at komponenterne, der omfatter DNA og RNA, ikke altid opfører sig som forudsagt," forklarer hun. "Også nogle komponenter, som polymeraseenzymer, er enkle og nemme at arbejde med, men svære at kontrollere. Dette gør det vanskeligt at konstruere systemer, der resulterer i de resultater, vi ønsker."

For at undgå uønskede reaktioner skabte Schulmans team en simpel matematisk model, der antager, at alle komponenter opfører sig på samme måde. Derefter, for at bygge et kemisk system, der fulgte forudsigelsen af ​​den simple model, identificerede de systematisk uønskede reaktioner og undertrykte dem ved at modificere områder af enkeltstrenget DNA.

"Typisk stammer uønskede reaktioner fra polymerase-enzymet, da det er ret reaktivt over for DNA-komponenter," sagde Samuel Schaffter, hovedforfatter af værket og en alun fra Johns Hopkins. Han er postdoc ved National Institute of Standards and Technology.

Teamet screenede potentielle komponenter for den aktivitet, de ønskede, og udelod dem, der afveg væsentligt fra den forventede præstation. Dette, kombineret med de kemiske modifikationer for at forhindre uønskede reaktioner, gav et bibliotek på omkring 15 geneletter med universel standardydelse.

De brugte disse standardkomponenter til at konstruere netværk, der udfører nøgleopgaver observeret i celler, såsom opgaver, der guider celler under udvikling, såvel som netværk, der er i stand til hukommelse. Deres resultater stemte bemærkelsesværdigt godt overens med deres simple modelforudsigelser, hvilket indikerer styrken ved konstruktion ved brug af komponenter med standardiseret ydeevne.

Forskerne arbejder nu på at bruge disse kemiske systemer til at kontrollere adfærden af ​​nanostrukturer, nanopartikler og hydrogeler, som kunne bruges i avanceret diagnostik og måske en dag selvhelbredende elektronik. De håber, at dette værktøjssæt vil inspirere til nye applikationer i andre forskningsgrupper og udviklet en softwarepakke, der er tilgængelig på GitHub. Brugere kan hurtigt simulere ethvert netværk og producere DNA-sekvenserne til test i laboratoriet.

"Vi ønsker at gøre dette system så nemt som muligt for andre forskere at bruge," sagde Schaffter, "Vi konvergerer på et system, der ikke længere er begrænset af eksperimentelle udfordringer, og vores mål er at have den eneste begrænsning, der er forskerens fantasi. ." + Udforsk yderligere

Ny metode til kunstigt at skabe genetiske switches for gær