Биоинженеры создали «световую матрицу» и «биоосциллограф» для тестирования генетических схем
Биоинженеры из Университета Райса разработали набор инструментов из генов и аппаратного обеспечения, который использует цветной свет и модифицированные бактерии для придания математической предсказуемости и простоты проектированию генетических схем.
В новой статье в журнале Nature Methods исследователи во главе с Джеффри Тейбором и аспирантом Эваном Олсоном описывают метод сверхвысокой точности для создания и измерения сигналов экспрессии генов в бактериях. Метод сочетает светочувствительные белки фотосинтезирующих водорослей с простой матрицей красных и зеленых светодиодов (LED) и стандартными флуоресцентными репортёрными генами. Изменяя время и интенсивность света, учёные смогли точно контролировать, когда и в каком количестве экспрессируются различные гены.
«Свет даёт нам мощный новый метод для надёжного измерения активности генетических схем», — сказал Джеффри Тейбор.
Их работа вдохновлена методами изучения электронных схем. Инженеры-электронщики используют осциллографы и генераторы сигналов для измерения потока напряжения. Аналогично, световые инструменты команды Райса действуют как биологический генератор сигналов и осциллограф для анализа генетических схем.
Генетические схемы обрабатывают информацию с помощью сегментов ДНК, контролирующих, экспрессируется ген или нет. Соединяя правильные генетические компоненты, синтетические биологи программируют клетки на выполнение сложных функций.
В новом исследовании команда поняла, что свет можно использовать для создания изменяющихся во времени сигналов экспрессии генов, которые нарастают и спадают, подобно сигналам в электронике.
«В электронике два ключевых инструмента — это генераторы сигналов и осциллографы», — пояснил Эван Олсон.
Система флуоресцентных репортёрных генов стала их версией осциллографа — «биоосциллографом». Она позволяет наблюдать как входные, так и выходные данные схемы, обеспечивая чистый сигнал.
Чтобы создать соответствующий генератор сигналов, Олсон изобрёл «световую матрицу» (light tube array) — программируемый набор светодиодов 8×8, который помещается под стандартный 64-луночный планшет. Это позволило посылать индивидуально запрограммированные световые сигналы в каждую пробирку.
Изменяя сигналы и измеряя соответствующие выходные данные с помощью биоосциллографа, команда смогла точно определить, как работает их тестовая схема.
«Точность света позволяет нам создавать исключительно чистые сигналы экспрессии генов, с помощью которых мы можем извлечь гораздо больше информации о генетических схемах, чем было возможно раньше», — отметил Тейбор.
Исследователи обнаружили, например, семиминутную задержку между входом и выходом сигнала экспрессии гена в генетической схеме. Они также смогли запрограммировать схему следовать конкретным паттернам.
По словам учёных, световая матрица и биоосциллограф станут полезными инструментами как для изучения работы природных клеток, так и для синтетических биологов, создающих собственные схемы.
«Речь идёт о чистом входном сигнале, чистом выходном сигнале и инструментах для их измерения», — резюмировал Олсон.