Recente ontdekkingen door twee onderzoeksteams in de Ira A. Fulton Schools of Engineering aan de Arizona State University bevorderen het gebied van synthetische biologie.

Universitair docent Xiaojun Tian en universitair hoofddocent Xiao Wang hebben een jaar lang samengewerkt met hun laboratoriumgroepen in de School of Biological and Health Systems Engineering, een van de zes Fulton-scholen. Resultaten van hun nieuwe onderzoek naar manieren waarop gemanipuleerde gencircuits interageren met biologische gastheercellen zijn deze week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Chemische Biologie .

Synthetische biologie past technische methoden toe om nieuwe biologische netwerken te ontwerpen of aspecten van bestaande biologische systemen opnieuw te ontwerpen. Het is een snel opkomend vakgebied, en er zijn de afgelopen 20 jaar veel belangrijke vorderingen gemaakt.

Vroeg werk omvatte het maken van synthetische gencircuits en het plaatsen ervan in natuurlijke gastheercellen.

"Maar het concept van een circuit is hier abstract, " Zegt Wang. "Stel je een opeenvolging van genetische segmenten voor waarbij de eerste een bepaald eiwit codeert of produceert. Dat eiwit, beurtelings, kan de expressie of eiwitproductie van een ander segment in de genetische sequentie activeren of remmen. Als je dit idee blijft uitbreiden, je kunt je voorstellen dat het een netwerk is."

Het is deze keten van beïnvloeding of aansporing die functioneert als een circuit, in plaats van de fysieke verbindingen binnen de genetische sequentie. Echter, eerder onderzoek was gericht op alleen het gedrag van gemanipuleerde genetische circuits zelf, met weinig aandacht voor de achtergrond of context vertegenwoordigd door gastheercellen.

"Het is moeilijk te voorspellen hoe deze interacties de functies van de gemanipuleerde genetische circuits beïnvloeden, "Tian zegt, "om nog maar te zwijgen over hoe ze te besturen en de circuits naar wens te laten werken binnen ingewikkelde, levensechte omgevingen."

Inderdaad, deze synthetische gencircuits werken over het algemeen alleen in een laboratoriumomgeving, niet in meer levensechte omstandigheden. En deze beperking belemmert de toepassing van gemanipuleerde gencircuits in klinische omgevingen enorm.

Om het veld in die praktische richting vooruit te helpen, het nieuwe onderzoek van Tian en Wang onderzocht de relatie tussen de synthetische gencircuits en hun gastheercellen. specifiek, ze onderzochten de impact van 'geheugen'-circuits die in gastheercellen zijn geïmplanteerd, en de invloed van gencircuit "topologieën, " of de architectuur van onderlinge verbindingen tussen circuitcomponenten, met betrekking tot de groei van gastheercellen.

In het kader van dit werk, het idee van geheugen heeft betrekking op de voortzetting van beïnvloeding of aansporing binnen een geconstrueerd gencircuit, zelfs met de afwezigheid van een stimulus.

"Denk aan een lichtschakelaar in je huis, "zegt Wang. "Het licht blijft aan, zelfs als je je vinger van de schakelaar haalt. We verwijzen naar die aanhoudende toestand als geheugen."

Het nieuwe onderzoek van Tian en Wang onthulde dat topologieën van geheugencircuits aanzienlijk worden beïnvloed door het gedrag van gastheercellen.

"We hebben geverifieerd dat invloeden worden uitgewisseld tussen het gencircuit en de gastheercel, "zegt Tian. "Dat wil zeggen, het circuit beïnvloedt de gastheercel, wat weer een impact heeft op het circuit. Het is als een lus.

"Maar we hebben ook aangetoond dat de impact op de functionaliteit van een circuit afhankelijk is van de topologie, "zegt hij. "Dus, de ene circuittopologie vertoont betere prestaties dan andere binnen een dynamische hostomgeving."

Hun ontdekking die circuittopologie in verband brengt met de impact van een gastheercel op de circuitfunctie is een primeur op het gebied van synthetische biologie, en het vergroot het zinvolle wetenschappelijke begrip van deze complexe interacties.

"Het maakt de weg vrij voor het bouwen van robuuste, gemanipuleerde gencircuits, Tian zegt. "Deze zouden op een dag de interventies tegen de uitzaaiing van kanker kunnen versterken, bijvoorbeeld, door het vermogen van kankercellen om hun ontwikkeling te vertalen te vertragen."

Vooruitgang van het onderzoek dat Tian en Wang hebben gepubliceerd, omvat het onderzoeken van de impact van het toevoegen van extra synthetische gencircuits of modules aan gastheercellen, wat het niveau van complexiteit aanzienlijk verhoogt als modules strijden om bronnen binnen het cellulaire systeem.

Wang zegt dat de School of Biological and Health Systems Engineering binnen de Fulton Schools bijzonder goed geplaatst is voor ontdekkingen in synthetische biologie.

"We hebben een kritische massa toegewijde mensen die strategisch geïnvesteerd zijn in het bevorderen van dit onderzoeksgebied voor de lange termijn, "zegt hij. "Dus, we willen een leider op dit gebied zijn."