Zipping DNA

ETH-forskere har udviklet en metode, der tillader store mængder genetisk information at blive komprimeret og derefter dekomprimeret igen i celler. Dette kan hjælpe med udviklingen af ​​nye terapier.

Hvad gør du, hvis du har et stort dokument eller et billede i høj opløsning, der er for stort til at sende via e-mail? Du zipper den blot til en mere overskuelig størrelse ved hjælp af en passende software. "I stedet for at sende oplysningerne 'hvid-hvid-hvid-hvid-hvid-hvid' ... 'for hver enkelt pixel på en hvid linje, kun beskeden 'hvid 1, 000 gange 'overføres, " forklarer Kobi Benenson, Leder af Synthetic Biology Group ved ETH's Institut for Biosystems Science and Engineering i Basel. Når først modtaget, oplysningerne kan derefter returneres til sin oprindelige størrelse, dvs. uden lynlås.

Begrænset transportkapacitet

Denne metode til digitale filer inspirerede Benenson og hans kollega Nicolas Lapique til at udvikle en innovativ løsning til biologiske systemer. De udarbejdede en metode, der kunne bruges til at zippe det genetiske materiale DNA:det komprimeres til transport ind i celler og samles derefter til fungerende genetisk information, når det er inde i cellen.

Denne type løsning kan være nyttig for biologer, især til syntetisk biologi eller bioteknologi, da forskerne er begrænsede, når de forsøger at implantere store mængder information i celler i form af DNA. Problemet er, at de transportkøretøjer, der i dag bruges til dette formål, kun kan læsses med en begrænset mængde DNA.

Fjernelse af gentagelser i DNA

Grundprincippet bag denne innovative DNA-komprimering er det samme som princippet bag zipping af en digital fil:"Elementer, der ofte kommer op i DNA-sekvensen, der skal implanteres, transmitteres kun én gang, "forklarer Benenson.

For eksempel, dette kunne gælde for promotorer - dele af DNA'et, der regulerer, om og hvordan det associerede gen aflæses. Hvis det DNA, der skal transporteres ind i cellen, indeholder fire forskellige gener, der alle har den samme promotor, det vil kun blive inkluderet en gang.

Tæt pakket og samlet på destinationen

Fjernelse af afskedigelser er ikke alt, imidlertid. ETH-forskerne samler det DNA, der skal transporteres ind i cellen, efter specifikke regler. Benenson taler om "komprimeret kodning".

De fire gener i vores eksempel modtager først en fælles promotor. Forskerne samler de fire kodende gensekvenser kompakt på DNA-dobbeltstrengen. De udstyrer det hele med individuelle stop -sekvenser og - vigtigst af alt - forskellige bindingssteder for en rekombinase, et enzym, der kan åbne, rotere, og saml DNA -tråde igen.

"Rekombinasen påtager sig rollen som dekompressionssoftwaren, " forklarer Benenson. Det sikrer, at komponenterne i det komprimerede DNA er samlet i funktionsdygtig stand inde i cellen. For de fire eksempler på gener, det betyder, at hver vil modtage deres egen promotor, når den er samlet igen.

Genetiske programmer opdager tumorceller

Benenson og Lapique var i stand til at demonstrere, at denne nye metode faktisk tillader store "genetiske programmer" at blive implanteret i pattedyrsceller. "Disse er menneskeskabte og udfører specifikke opgaver inden for cellerne, "forklarer Benenson. Med andre ord, de omfatter et helt arsenal af biologiske komponenter såsom proteiner og RNA, der arbejder inden for cellen på en koordineret måde for at nå et mål, der er defineret af forskerne. I bioteknologi, denne metode ville tillade skabelsen af ​​visse komplekse stoffer såsom aktive ingredienser til lægemidler.

Benensons gruppe, imidlertid, arbejder på genetiske programmer, der forhåbentlig vil mestre langt mere komplicerede opgaver i fremtiden. En sådan opgave er kræftmålretning, hvilket betyder, at programmet kan registrere specifikke stoffer, markørerne, i en celle. Afhængig af koncentrationen, den afgør, om cellen er sund, eller om det er en tumorcelle- som programmet derefter ville være i stand til uafhængigt at fjerne. Det ville være en slags alt-i-én-løsning til bekæmpelse af tumorer, der ville dække undersøgelsen, diagnose og endda behandling. Denne tilgang har vist sig at virke i cellekulturer, og forskeren vil gerne teste den også i en dyremodel.

Mere præcise diagnoser takket være nye metoder

Med aktuelt tilgængelige DNA-leveringskøretøjer, nøjagtigheden af ​​at afgøre, om en celle er sund eller kræftsyg, er stadig ikke høj nok, da der ikke kan påføres nok forskellige markører på én gang på grund af den begrænsede mængde DNA, der kan overføres.

"En kombination af fire til seks markører ville være ideel, " forklarer Benenson. For at opdage alle disse, imidlertid, det tilsvarende antal sensorer er nødvendigt for at genkende markørstofferne. Flere sensorer - dette involverer proteiner, RNA, og DNA-komponenter - ville også betyde mere DNA, der skal implanteres i cellen som sensorernes blueprint. De håber nu, at et program kan bruge denne nye DNA-komprimerings- og dekomprimeringsmetode til at implementere yderligere sensorer og dermed øge nøjagtigheden.

Lån fra informationsteknologi

Det er ikke tilfældigt, at de genetiske programmer udviklet af Benenson og Lapique er logisk opbygget og fungerer på samme måde som computerprogrammer. "Vores forskning er ofte inspireret af datalogi og informationsteknologi, " forklarer Benenson. Han nyder tydeligvis at tænke ud af boksen. Når det kommer til de nye DNA-transportmetoder, det er sikkert at sige:det er heldigt, at e -mail -vedhæftede filer har størrelsesbegrænsninger.

Undersøgelsen er publiceret i Natur nanoteknologi .