Team udvikler kunstige celler til at studere molekylær trængsel og genekspression

Det indre af en levende celle er et overfyldt sted, med proteiner og andre makromolekyler pakket tæt sammen. Et team af forskere ved Carnegie Mellon University har tilnærmet denne molekylære trængsel i et kunstigt cellulært system og fundet ud af, at stramme kvartaler hjælper processen med genekspression, især når andre forhold er mindre end ideelle.

Som forskerne rapporterer i en forudgående onlinepublikation af tidsskriftet Naturnanoteknologi , disse fund kan hjælpe med at forklare, hvordan celler har tilpasset sig fænomenet molekylær trængsel, som er bevaret gennem evolutionen. Og denne forståelse kan guide syntetiske biologer, når de udvikler kunstige celler, der en dag kan bruges til levering af lægemidler, biobrændstofproduktion og biosensorer.

"Det er baby skridt, vi tager for at lære at lave kunstige celler, "sagde Cheemeng Tan, en Lane Postdoctoral Fellow og en Branco-Weiss Fellow i Lane Center for Computational Biology, der ledede undersøgelsen. De fleste undersøgelser af syntetiske biologiske systemer anvender i dag løsningsbaseret kemi, som ikke involverer molekylær trængsel. Resultaterne af CMU -undersøgelsen og lektioner af evolution tyder på, at bioingeniører bliver nødt til at bygge trængsel ind i kunstige celler, hvis syntetiske genetiske kredsløb skal fungere, som de ville i virkelige celler.

Forskergruppen, som omfattede Russell Schwartz, professor i biologiske videnskaber; Philip LeDuc, professor i maskinteknik og biologiske videnskaber; Marcel Bruchez, professor i kemi; og Saumya Saurabh, en ph.d. studerende i kemi, udviklet deres kunstige cellulære system ved hjælp af molekylære komponenter fra bakteriofag T7, en virus, der inficerer bakterier, der ofte bruges som model i syntetisk biologi.

For at efterligne det overfyldte intracellulære miljø, forskerne brugte forskellige mængder af inerte polymerer til at måle virkningerne af forskellige densitetsniveauer.

Trængsel i en celle er ikke så forskellig fra en mængde mennesker, Sagde Tan. Hvis kun få mennesker er i et værelse, det er let for folk at blande sig, eller endda at blive isoleret. Men i et overfyldt rum, hvor det er svært at flytte rundt, individer har ofte en tendens til at forblive tæt på hinanden i længere perioder. Det samme sker i en celle. Hvis det intracellulære rum er overfyldt, bindingen mellem molekyler øges.

Især forskerne fandt ud af, at de tætte miljøer også gjorde gentranskription mindre følsom over for miljøændringer. Da forskerne ændrede koncentrationer af magnesium, ammonium og spermidin - kemikalier, der modulerer stabiliteten og bindingen af ​​makromolekyler - de fandt større forstyrrelser af genekspression i miljøer med lav densitet end i miljøer med høj densitet.

"Kunstige cellulære systemer har et enormt potentiale for applikationer inden for lægemiddellevering, bioremediering og cellulær computing, "Tan sagde." Vores resultater understreger, hvordan forskere kunne udnytte funktionelle mekanismer i naturlige celler til deres fordel for at kontrollere disse syntetiske cellulære systemer, såvel som i hybridsystemer, der kombinerer syntetiske materialer og naturlige celler. "