Wetenschappers van Rice University die zeggen dat biologische sensoren niet gevoelig genoeg zijn, doen er iets aan.

Het laboratorium van synthetisch bioloog Jeffrey Tabor heeft een nieuwe techniek geïntroduceerd om de gevoeligheid van tweecomponentensystemen te verhogen of te verlagen - een klasse eiwitten die bacteriën gebruiken om een ​​breed scala aan stimuli waar te nemen.

De techniek kan de engineering mogelijk maken van op maat gemaakte biosensoren voor diagnostische darmbacteriën, detectie van milieuverontreinigende stoffen of geautomatiseerde controle van nutriëntenniveaus in de bodem.

Tweecomponentensensoren, de focus van een nieuw artikel waarin het werk in Nature Communications wordt beschreven, zijn een grote familie van genetisch gecodeerde sensoren die bacteriën gebruiken om een ​​specifieke input te detecteren en een specifiek gen aan te zetten als reactie op veranderingen in hun omgeving.

Hoewel deze sensoren al drie decennia bekend zijn, ze waren niet gevoelig genoeg voor Tabor. Hij en Rice-alumnus en hoofdauteur Brian Landry wilden de hoeveelheid input die nodig is om ze aan te zetten verminderen.

Door computermodellering en experimenten te combineren, ze hebben precies dat bereikt. In de krant, beschrijven ze hun ontdekking dat fosfatase-activiteit, wat essentieel is voor regulatie en signalering in cellen, kan een dramatisch effect hebben op de detectiedrempels van tweecomponentensystemen.

Eerder onderzoek had aangetoond dat mutaties naar de eerste component, een signalerend sensoreiwit dat bekend staat als een histidinekinase, kan worden gebruikt om de mate van fosforylering van de tweede component te regelen, een responsregulator eiwit. Maar niemand had gesuggereerd dat fosfatase-mutaties zouden kunnen worden gebruikt om de gevoeligheid van deze routes voor hun input te veranderen, zei Tabor.

Op een dag, geconfronteerd met een nitraatsensor die niet aanging zoals verwacht in de darm van een zieke muis, Landry veronderstelde dat fosfatase-mutaties de gevoeligheid van de route dramatisch zouden kunnen verhogen.

Hij valideerde eerst de hypothese met behulp van een wiskundig model en voerde vervolgens experimenten uit waaruit bleek dat de mutaties de efficiëntie van een nitraatsensor met een factor 100 verhoogden. Het laboratorium van Tabor valideerde de aanpak in tweecomponentensystemen die een breed scala aan inputs detecteren , zelfs in zeer verschillende soorten bacteriën.

Landry werkte samen met een andere Rice bio-ingenieursstudent, co-auteur Lucas Hartsough, om een ​​"hot spot" aminozuur te identificeren dat aanwezig is in 64 procent van alle sensorhistidinekinasen die kunnen worden gemuteerd om de gevoeligheid af te stemmen. Ze valideerden de aanpak in twee minimaal gekarakteriseerde routes, die suggereerde dat het op grote schaal kan worden toegepast, zei Tabor.

Landry gebruikte de technologie ook om een ​​bodembacterie te ontwikkelen, Bacillus subtilis, om een ​​breed scala aan nitraat(mest)concentraties in de bodem waar te nemen en erop te reageren. Tabor en Landry suggereren dat dit systeem kan worden gekoppeld aan paden die in ontwikkeling zijn door een collega van MIT, synthetisch bioloog Chris Voigt, en zijn laboratorium om bodembacteriën te ontwikkelen die optimale stikstofniveaus in de bodem handhaven zonder dat er kunstmest nodig is.

Tweecomponentensystemen kunnen worden geactiveerd door vele soorten ingangen, inclusief gassen, heemmoleculen in bloed, suikers, darm polysachariden, menselijke of plantaardige hormonen of zelfs licht.

"Daarom zijn we hier zo enthousiast over, ' zei Tabor. 'Deze sensoren werken allemaal op dezelfde manier. Ze hebben allemaal de fosfatase en de kinase. We hebben meer dan 25 geïdentificeerd, 000 van hen in bacteriële genomen en we denken dat onze strategie op de meeste van hen zal werken."

Hij zei dat de techniek van zijn laboratorium afhankelijk is van de signaalroute waarmee natuurlijke sensormoleculen de cellen vertellen te stoppen. de productie van eiwitten starten of wijzigen. Het afstemmen van natuurlijke sensoren voor synthetische toepassingen was tot nu toe moeilijk, hij zei.

"Een van de grote beperkingen is dat wanneer je een biosensor uit de natuur haalt, het kan de chemische stof voelen waarin u geïnteresseerd bent, maar niet in de juiste concentratie. Dit komt omdat het is geëvolueerd om een ​​bacterie in staat te stellen beter te overleven in een natuurlijke omgeving in plaats van te voldoen aan de technische behoeften van een synthetisch bioloog. " hij zei.

"We noemen dit niveau de detectiedrempel van de sensor, en er zijn niet veel goede technologieën geweest om die drempel af te stemmen op onze technische behoeften, " zei Tabor. "Dat is een grote beperking geweest in het ontwerp van biosensoren. Maar nu, we hebben één algemene truc gevonden waarmee we de detectiedrempels van deze familie van bacteriële sensoren op een zeer rationele manier kunnen afstemmen, en het werkt heel goed."

In zijn simulaties en experimenten, het lab muteerde het histidinekinase-eiwit, die een input detecteert en een fosfaatgroep vrijgeeft die bindt aan de responsregulator. Dat, beurtelings, bindt aan DNA om genexpressie te activeren.

"Als je genexpressie aanzet, dat is jouw signaal, Tabor zei. "Wat cool is aan deze paden is dat wanneer de input afwezig is, de sensorhistidinekinase werkt in plaats daarvan als een fosfatase en verwijdert de fosfaatgroep. Wanneer dat gebeurt, de responsregulator valt van het DNA af en activeert de genexpressie niet meer."

Hij zei dat het muteren van de histidinekinase om het signaal aan of uit te zetten, kan worden gebruikt om de acties van responsregulatoren te regelen, en dus de hoeveelheid geproduceerde gewenste eiwitten.

"We redeneerden dat het een soort touwtrekken is tussen de kinase-activiteit en de fosfatase-activiteit, Tabor zei. "Die balans bepaalt hoeveel input nodig is om de sensor aan te zetten. Dus dit is als een knop waarmee we de fosfatase-activiteit sterker of zwakker kunnen maken om de input af te stemmen."

Hij zei dat de algemeenheid van het proces de synthetische biologie in het algemeen zou moeten stimuleren. "Er zijn alternatieve methoden om te doen wat we hier deden, maar ze zijn veel arbeidsintensiever, Tabor zei. "Ze hebben meer kans om te falen, en ze zouden een hele Ph.D. om ze aan het werk te krijgen, terwijl we dit in een week kunnen doen en het laten werken."