Wetenschappers van Rice University hebben een toolkit gemaakt voor synthetische biologen die de input- en outputniveaus van genetische circuits nauwkeurig moeten afstemmen.

Het onderzoek, die online is in Nature Communications, is een zegen voor levenswetenschappers die systematisch bacteriën en andere organismen manipuleren om taken uit te voeren die ze van nature niet zouden doen.

"Probiotica zijn een voorbeeld, " zei Matthew Bennett, universitair hoofddocent biowetenschappen bij Rice en co-lead scientist van de nieuwe studie. "Het zijn nuttige darmbacteriën die essentieel zijn voor de menselijke gezondheid, en veel synthetische biologen zoeken naar manieren om probiotica te ontwerpen die ziekten kunnen diagnosticeren of bestrijden. Dergelijke gemanipuleerde probiotica zouden in staat zijn om medicijnen of andere complexe moleculen in het menselijk lichaam te produceren om ziekten te bestrijden, variërend van kanker tot inflammatoire darmaandoeningen."

Geneesmiddelen produceren wanneer en waar ze nodig zijn in het lichaam, zou nieuwe deuren openen voor de bestrijding van ziekten, maar, Bennett zei, synthetische biologen hebben geworsteld om circuits te ontwerpen die precies genoeg zijn voor de toediening van medicijnen.

"Synthetische biologen moeten genen creëren die aan of uit gaan als reactie op omgevingssignalen, " zei hij. "Deze fungeren als sensoren, waardoor het probioticum het medicijn kan produceren wanneer het nodig is op basis van omgevingssignalen."

Met behulp van de bacterie Escherichia coli, Bennett, afgestudeerde student Ye Chen, postdoctorale onderzoekers Joanne Ho en David Shis en collega's van de Universiteit van Houston, gebruikte modulaire moleculaire bouwstenen om promotors te creëren die genen zo vaak als nodig aan- en uitzetten.

Hoewel genetische circuits in sommige opzichten op elektrische circuits lijken, de schakelaars om ze aan en uit te zetten zijn veel ingewikkelder. Zelf, genen kunnen de eiwitten waarvoor ze coderen niet maken. In plaats daarvan, gespecialiseerde enzymen lezen de genen en vernietigen eiwitten op basis van wat ze lezen. Genpromotors zijn een andere specialist in dit proces.

"Een promotor stuurt een gen aan, " zei Bennett. "Het initieert de decodering en bepaalt wanneer het gen wordt in- of uitgeschakeld.

"Synthetische biologen hebben promotorregio's ontworpen om te reageren op verschillende chemische signalen, maar we zitten vast met wat de natuur ons heeft gegeven, " zei hij. "Een natuurlijk voorkomende promotor die op een chemische stof reageert, zou zich niet goed kunnen gedragen wanneer hij wordt gebruikt in een synthetisch gencircuit. Het kan het doelgen niet zo vaak aan- of uitzetten als we zouden willen. Als een bacterie een bepaalde chemische cue wil voelen, het zal een gen aan- of uitzetten zoals het moet. Het kan het een beetje aanzetten, of het kan het veel aanzetten. Daar hadden we vroeger weinig controle over."

In aanvulling, Bennett zei, veel promotors zijn "lek" in die zin dat zelfs wanneer ze een gen uitschakelen, het nog steeds kleine hoeveelheden eiwit produceert.

"Er zijn evolutionaire redenen waarom lekkage in de natuur kan ontstaan, maar als je een circuit ontwerpt, je hebt meer precisie nodig, " hij zei.

Promoters zijn DNA-gebieden die deels een adresregel en deels een instructiehandleiding zijn. Ze vertellen transcriptie-eiwitten niet alleen waar ze een gen moeten lezen, maar ze regelen ook hoe sterk het gen is ingeschakeld - of het nu veel of weinig eiwit produceert. Door middel van een modulaire aanpak, Het team van Bennett ontwikkelde een ontwerpschema voor het creëren van niet-lekkende promotors die zo vaak als nodig worden geactiveerd.

Universiteit van Houston wiskundigen Krešimir Josić, Chinmaya Gupta en William Ott berekenden enkele van de specifieke eigenschappen die nodig zouden zijn voor elk bouwblok en werkten samen met Rice-teamleden die ontwierpen, gemaakt en getest in E. coli. Verschillende blokken werden gemengd en op elkaar afgestemd om een ​​bibliotheek van promotors te vormen, die elk zijn ontworpen om op een specifieke manier te reageren op een of meer chemische inputs.

Bijvoorbeeld, in een genetisch circuit, één gen kan worden geprogrammeerd om in te schakelen wanneer het een specifieke cue ontvangt, en het product van dat gen kan een klein molecuuleiwit zijn dat op zijn beurt een ander gen activeert of uitschakelt. Door hele sets van deze genen aan elkaar te rijgen, synthetisch biologen kunnen complexe circuits bouwen.

"Dit vermogen is de sleutel voor het construeren van synthetische genregulerende circuits die nauwkeurige input- en outputrelaties vereisen, " Bennett en collega's schreven in hun Nature Communications-paper. "Dit document biedt een eenvoudige, kosteneffectieve manier om promotors te ontwerpen die door de gebruiker gedefinieerde dynamische bereiken bieden, die de fijnafstemming van de metabole flux binnen synthetische biologische en chemische circuits in levende cellen mogelijk zal maken."

Bennett zei dat een ander belangrijk element van het project het ontwerpen van promotors was die alleen konden worden geactiveerd in de aanwezigheid van twee of meer signalen.

"De natuur geeft ons slechts een paar voorbeelden van promotors die meerdere inputs gebruiken, dus het ontwerpen van niet-lekkende, gebruiksvriendelijke multi-input-promotors was een hoge prioriteit voor ons, " hij zei.