Биоинженеры разработали инструмент для проектирования более успешных синтетических молекул

Инженеры из Стэнфорда разработали компьютерную модель, которая может значительно улучшить чувствительность и успешность синтетических генетических молекул, а также упростить их проектирование. Исследование опубликовано в журнале Nature Methods.

Синтетические молекулы, вводимые в клетки, могут пассивно сообщать о её поведении или даже изменять её функцию. Однако до сих пор их создавали в основном методом проб и ошибок, что ограничивало потенциал технологии.

Новая модель, разработанная под руководством профессора биоинженерии Кристины Смолке, позволяет перейти к целенаправленному инженерному подходу. Она помогает проектировать синтетические версии микроРНК (miRNA) — небольших полосок генетического кода, которые в природе регулируют экспрессию генов.

Как работает модель:

• Вместо физической сборки и тестирования молекул модель решает систему дифференциальных уравнений.
• Эти уравнения представляют различные биохимические этапы, скорости, параметры, которые нужно измерить в клетке, и планируемое действие молекулы.
• На основе этих входных и выходных данных модель рекомендует серию молекул и шагов для сборки желаемого инструмента miRNA.

Валидация модели:

Исследователи проверили процесс, спроектировав с нуля синтетическую miRNA для мониторинга активности белка в сигнальном пути Wnt. Когда концентрация целевого белка (бета-катенина), продуцируемого путём Wnt, достигала определённого уровня, синтетическая miRNA запускала другую молекулу в клетке, заставляя её флуоресцировать.

Сигнальный путь Wnt хорошо изучен (он играет ключевую роль в эмбриональном развитии, обновлении стволовых клеток и прогрессировании рака) и стал хорошим стандартом для проверки модели. Тест показал высокую чувствительность биосенсоров к относительно небольшим изменениям концентрации (в 2–3 раза).

Перспективы применения:

Алгоритмы готовы к немедленному использованию в лабораторных экспериментах на культурах клеток и животных моделях, особенно для изучения рака, разработки вакцин или терапии стволовыми клетками.