Электрогенетическая система для управления экспрессией генов

Исследователи из Университета Мэриленда разрабатывают электрогенетическое устройство для управления экспрессией генов. Эта технология перспективна для контроля биологических систем, создания биосенсоров и носимых или имплантируемых био-гибридных устройств.

Команда под руководством Уильяма Бентли использует редокс-биомолекулы — клеточные сигнальные молекулы — для передачи электронной информации в генетически модифицированные бактериальные клетки. Разработано устройство, которое с помощью электрода и модифицированных клеток управляет работой синтетической генной цепи.

Ранее команда научилась загружать и контролировать ферменты на микроэлектронных чипах, модулируя естественные редокс-молекулы. Теперь они модулируют эти молекулы, чтобы связать сигналы от электрода с клетками, запрограммированными активировать экспрессию генов в ответ. Это открывает возможности для управления сложным поведением, например, биоплёнками или производством терапевтических веществ в микроустройствах.

В работе, опубликованной в Nature Communications, показано, что малые молекулы предлагают широкий репертуар для молекулярной коммуникации. Умение измерять и контролировать эти сигналы позволит создавать продвинутые технологии для изучения и манипулирования биологической средой.

Используя свою методику, команда продемонстрировала:

• Контроль экспрессии генов для индукции движения бактерий («бактериального плавания»).
• Создание клеточной информационной ретрансляционной цепи, где одна группа бактерий интерпретирует электронный сигнал и передаёт информацию другой группе, чтобы изменить её экспрессию генов.

Система основана на редокс-сигнальных процессах, распространённых в биологических системах, включая человеческий организм. Команда сконструировала бактериальные клетки E. coli для интерпретации этих процессов, создав генную цепь, активируемую соответствующими молекулярными сигналами.

Для управления производством белков используется пиоцианин (Pyo) — метаболит и молекулярный сигнал, способный окислять и восстанавливать другие молекулы для индукции генов. Команда работает с редокс-чувствительным регулоном в E. coli, чтобы клетки чувствовали и реагировали на окислительный стресс, включая или выключая экспрессию гена.

Электронным контролем над окислительным состоянием другой редокс-молекулы, феррицианида, удалось усилить увеличение или уменьшение уровня специфических белков в E. coli. Впервые продемонстрирована полезность биологически релевантных редокс-молекул для перевода электронных сигналов в изменения в экспрессии генов у модифицированных бактерий.

В отличие от предыдущих работ в синтетической биологии, группа Бентли минимально «перепроектировала» клетки, используя нативные редокс-взаимодействия. Это даёт представление об их развивающейся роли как посредников в биоэлектронной коммуникации.

Систему можно адаптировать для получения различных ответов, управления поведением клеток и использования других электронных и редокс-систем (например, микробных топливных элементов). Это устройство может стать мощным инструментом в «биофабрикации», преодолевая разрыв между микроэлектроникой и биологическими системами.