In de afgelopen 17 jaar, wetenschappers en ingenieurs hebben synthetische gencircuits ontwikkeld die de functionaliteit kunnen programmeren, uitvoering, en gedrag van levende cellen. Analoog aan geïntegreerde schakelingen die ten grondslag liggen aan talloze elektronische producten, gemanipuleerde gencircuits kunnen worden gebruikt om gedefinieerde dynamiek te genereren, endogene netwerken opnieuw bedraden, omgevingsprikkels voelen, en waardevolle biomoleculen te produceren.

Deze gencircuits zijn veelbelovend in medische en biotechnologische toepassingen, zoals het bestrijden van superbugs, productie van geavanceerde biobrandstoffen, en het vervaardigen van functionele materialen.

Daten, de meeste circuits zijn gebouwd door middel van een trial-and-error manier, die sterk afhankelijk is van de intuïtie van een ontwerper en vaak inefficiënt is, zei University of Illinois Bioengineering Associate Professor Ting Lu. "Met de toename van de circuitcomplexiteit, het ontbreken van voorspellende ontwerprichtlijnen is een grote uitdaging geworden bij het realiseren van het potentieel van synthetische biologie, " zei Lu, die ook verbonden is aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology and Physics Department in Illinois.

Onderzoekers hebben zich tot kwantitatieve modellering gewend om deze uitdaging op het gebied van gencircuitontwerp aan te pakken. Typische modellen beschouwen gencircuits als geïsoleerde entiteiten die geen interactie hebben met hun gastheren en richten zich alleen op de biochemische processen binnen de circuits, merkte Lu op.

"Hoewel zeer waardevol, het huidige modelleringsparadigma is vaak niet in staat om kwantitatief, of soms zelfs kwalitatief, circuitgedrag beschrijven, " zei hij. "Toenemende experimentele bewijzen hebben gesuggereerd dat circuits en hun biologische gastheer nauw met elkaar verbonden zijn en dat hun koppeling het circuitgedrag aanzienlijk kan beïnvloeden."

Lu en zijn afgestudeerde studenten, Chen Liao en Andrew Blanchard, heeft onlangs de uitdaging aangepakt door een geïntegreerd modelleringskader te construeren voor het kwantitatief beschrijven en voorspellen van het gedrag van gencircuits. Gebruik makend van Escherichia coli ( E coli ) als modelgastheer, het raamwerk bestaat uit een grofkorrelige maar mechanistische beschrijving van de gastheerfysiologie die dynamische verdeling van hulpbronnen omvat, meerlagige circuit-hostkoppeling, en een gedetailleerde kinetische module van exogene circuits.

Het team toonde aan dat opleiding volgen, het raamwerk was in staat om een ​​grote reeks experimentele gegevens met betrekking tot de gastheer en eenvoudige genoverexpressie vast te leggen en te voorspellen. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat ppGpp-gemedieerde effecten de sleutel zijn tot het begrijpen van constitutieve genexpressie onder veranderingen in de omgeving, inclusief veranderingen in voedingsstoffen en antibiotica. Het team demonstreerde ook het nut van het platform door het toe te passen om een ​​groeimodulerend feedbackcircuit te onderzoeken waarvan de dynamiek kwalitatief wordt veranderd door circuit-hostkoppelingen en het gedrag van een tuimelschakelaar te onthullen over schalen van eencellige dynamiek tot populatiestructuur en naar ruimtelijke ecologie.

Hoewel het raamwerk van Lu tot stand is gebracht met behulp van E. coli als de modelgastheer, het heeft het potentieel om te worden gegeneraliseerd voor het beschrijven van meerdere gastheerorganismen. "Bijvoorbeeld, we hebben gevonden dat, door slechts een enkele parameter te variëren, het raamwerk voorspelde met succes verschillende belangrijke hoststatistieken, inclusief RNA-eiwitverhouding, RNA-inhoud per cel, en gemiddelde peptide-verlengingssnelheid, voor Salmonella typhimurium en Streptomyces coelicolor , " zei Lu.

Volgens Lu, dit werk bevordert het kwantitatieve begrip van het gedrag van gencircuits, en faciliteert de transformatie van gennetwerkontwerp van trial-and-error constructie naar rationele forward engineering. Door systematisch belangrijke cellulaire processen en meerlagige circuit-host-interacties te illustreren, het werpt verder licht op kwantitatieve biologie voor een beter begrip van complexe bacteriële fysiologie.

Het werk wordt beschreven in het artikel van Lu, "Een integratief circuit-host-modelleringskader voor het voorspellen van synthetisch gennetwerkgedrag, " gepubliceerd op 25 september 2017 uitgave van Natuur Microbiologie .