De genen van ons lichaam werken samen om het gedrag van onze cellen te reguleren. Als je bijvoorbeeld je knie vilt, gebruiken je genen een chemisch berichtensysteem om een ​​leger cellen aan te sturen om de schaafwond te genezen. Als wetenschappers kunstmatige genen zouden kunnen maken die dezelfde functies zouden kunnen uitvoeren, maar in materialen werken in plaats van in organismen, zou een grote verscheidenheid aan nieuwe diagnostische, zelfherstellende materialen mogelijk zijn.

Een team onder leiding van Johns Hopkins-ingenieur Rebecca Schulman legt de basis voor dat werk door synthetische chemische systemen te ontwikkelen die het complexe gedrag van natuurlijke gennetwerken kunnen nabootsen. Hun werk verscheen onlangs in Nature Chemistry .

"Cellen gebruiken genen om te beslissen hoe ze moeten bewegen, groeien en handelen. Het vermogen om eenvoudige 'genen' te maken die zelf beslissingen kunnen nemen, kan leiden tot betere diagnostiek of therapie, of zelfs manieren bieden om nieuwe soorten robots van zacht materiaal te bouwen die worden bestuurd door chemie in plaats van elektronica", zegt Schulman, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en universitair hoofdonderzoeker aan het Whiting School of Engineering's Institute for NanoBioTechnology.

Het menselijk lichaam omvat ongeveer 25.000 genen en de chemische interacties die deze genen gebruiken om cellen te reguleren, hebben veel stappen en bewegende delen. Onderzoekers hebben geleerd dat ze niet elk van deze natuurlijke biologische stappen nauwkeurig hoeven na te bootsen om synthetische genanalogen te maken die dezelfde functies kunnen uitvoeren. Om het gedrag van genanalogen te verbeteren en beter te voorspellen, hebben Schulman en haar team een ​​moleculaire toolkit gemaakt met genelets (zeer kleine genen waarvan de functies kunnen variëren, afhankelijk van de instructies), en vereenvoudigde wiskundige modellen die voorspellen hoe de genelets zich zullen gedragen.

Het vereenvoudigde genelet-systeem van het team maakt gebruik van DNA, de som van de genetische informatie van een organisme; RNA, dat genetische informatie doorgeeft aan de delen van een cel die eiwitten produceren; een polymerase-enzym dat DNA transcribeert om RNA-kopieën te maken; en een RNase-enzym dat RNA afbreekt. Door alleen deze eenvoudige elementen te gebruiken, kan het systeem van het Schulman-team zich aanpassen en resetten als de omgeving verandert, net zoals natuurlijke genen in het lichaam dat doen.

"Een van de uitdagingen is dat de componenten waaruit DNA en RNA bestaan, zich niet altijd gedragen zoals voorspeld", legt ze uit. "Ook sommige componenten, zoals polymerase-enzymen, zijn eenvoudig en gemakkelijk om mee te werken, maar moeilijk te controleren. Dit maakt het moeilijk om systemen te ontwikkelen die resulteren in de resultaten die we willen."

Om ongewenste reacties te voorkomen, heeft Schulman's team een ​​eenvoudig wiskundig model gemaakt dat ervan uitgaat dat alle componenten zich op dezelfde manier gedragen. Om vervolgens een chemisch systeem te bouwen dat de voorspelling van het eenvoudige model volgde, identificeerden ze systematisch ongewenste reacties en onderdrukten ze door gebieden van enkelstrengs DNA te modificeren.

"Normaal gesproken komen ongewenste reacties voort uit het polymerase-enzym, omdat het behoorlijk reactief is op DNA-componenten", zegt Samuel Schaffter, hoofdauteur van het werk en een Johns Hopkins-aluin. Hij is een postdoctoraal onderzoeker aan het National Institute of Standards and Technology.

Het team screende mogelijke componenten op de gewenste activiteit en liet de componenten weg die aanzienlijk afweken van de verwachte prestaties. Dit, gecombineerd met de chemische modificaties om ongewenste reacties te voorkomen, leverde een bibliotheek op van ongeveer 15 genelets met universele standaardprestaties.

Ze gebruikten deze standaardcomponenten om netwerken te ontwikkelen die belangrijke taken uitvoeren die in cellen worden waargenomen, zoals taken die cellen begeleiden tijdens de ontwikkeling, evenals netwerken die in staat zijn tot geheugen. Hun resultaten kwamen opmerkelijk goed overeen met hun eenvoudige modelvoorspellingen, wat de kracht van engineering aangeeft met behulp van componenten met gestandaardiseerde prestaties.

De onderzoekers werken nu aan het gebruik van deze chemische systemen om het gedrag van nanostructuren, nanodeeltjes en hydrogels te controleren, die kunnen worden gebruikt in geavanceerde diagnostiek en misschien ooit zelfherstellende elektronica. Ze hopen dat deze toolkit nieuwe toepassingen in andere onderzoeksgroepen zal inspireren en ontwikkelden een softwarepakket dat beschikbaar is op GitHub. Gebruikers kunnen snel elk netwerk simuleren en de DNA-sequenties produceren om in het laboratorium te testen.

"We willen dit systeem zo gebruiksvriendelijk mogelijk maken voor andere onderzoekers," zei Schaffter, "We convergeren naar een systeem dat niet meer wordt beperkt door experimentele uitdagingen en ons doel is om de enige beperking de verbeeldingskracht van de onderzoeker te hebben. ." + Verder verkennen

Nieuwe methode om kunstmatige genetische schakelaars voor gist te creëren