Разработан новый инструмент для предсказуемого генетического конструирования микробных систем
Синтетическая биология — это новейшая и наиболее продвинутая фаза генной инженерии, открывающая большие перспективы для решения глобальных проблем, включая устойчивое производство энергоносителей и лекарств, а также безопасную утилизацию токсичных и радиоактивных отходов. Однако для реализации этого потенциала проектирование и сборка биологических систем должны быть столь же предсказуемыми, как сборка компьютерного оборудования.
Важный шаг к повышению предсказуемости в синтетической биологии сделала группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США под руководством вычислительного биолога Адама Аркина. Команда разработала «адаптор», который значительно упрощает и делает более предсказуемым генетическое конструирование микробных компонентов, преобразуя регуляторы трансляции в регуляторы транскрипции в Escherichia coli. Транскрипция и трансляция — это двухэтапный процесс синтеза белков на основе закодированных в генах инструкций.
«Применение нашего адаптора должно привести к созданию больших коллекций регуляторов транскрипции, чья внутренняя композиционность облегчит предсказуемое конструирование сложных биологических цепей в микроорганизмах», — говорит Аркин.
Аркин — директор Отдела физических биологических наук Berkeley Lab и автор-корреспондент статьи в Nature Methods под названием «An adaptor from translational to transcriptional control enables predictable assembly of complex regulation». Соавторами стали Чанг Лю, Лей Ци, Юлиус Люкс, Томас Сегалл-Шапиро, Дениз Ван и Вивек Муталик.
Ключом к успеху в синтетической биологии является создание в микробах пользовательских генетических переключателей, контролирующих экспрессию РНК, действующих на опероны и обладающих свойством композиционности (возможностью объединения в регуляторные функции высшего порядка).
«Значительная часть регуляторного потенциала бактерии заключена в пятипрайм нетранслируемых областях (5′ UTR), которые контролируют экспрессию физически прилегающих нижележащих генов и стали привлекательной платформой для синтетической биологии, основанной на частях», — поясняет Аркин. Такой подход должен удовлетворять двум критериям:
- Регуляторные части должны быть легко конструируемыми, давая большие однородные наборы вариантов, реагирующих на разные пользовательские сигналы.
- Части должны быть композиционными, то есть их можно легко и предсказуемо собирать в полезные функции высшего порядка.
В 5′ UTR бактерий есть два основных типа регуляторов, которые могут служить отправной точкой для создания новых частей:
- Регуляторы элонгации транскрипции — соответствуют второму критерию (композиционность).
- Регуляторы трансляции — соответствуют первому критерию (простота конструирования).
«Наше решение для соответствия обоим критериям заключалось в разработке адаптора на основе оперона триптофаназы (tryptophanase), который преобразует регуляторы инициации трансляции в регуляторы элонгации транскрипции», — говорит Аркин.
Когда регулятор трансляции E. coli был объединён с созданным адаптором, он также смог контролировать элонгацию транскрипции. Команда применила адаптор для создания нескольких регуляторов элонгации транскрипции, реагирующих на РНК и малые молекулы. В их число вошли пять взаимно ортогональных РНК-зависимых аттенюаторов (способных завершать транскрипцию), которые были собраны в логические вентили, управляемые двумя, тремя или четырьмя РНК-сигналами, связанными с сайтами связывания рибосом. Поскольку адаптор легко связывается с сайтами связывания рибосом (общий механизм у бактерий), команда считает, что он будет широко применим.
«Продолжающееся применение нашего адаптора должно привести к созданию больших коллекций регуляторов транскрипции, чья внутренняя композиционность облегчит предсказуемое конструирование сложных синтетических цепей», — заключает Аркин.
Адаптор готов к использованию исследователями и пополняет растущий набор инструментов, созданных группой Аркина, чтобы сделать проектирование и сборку микробных систем более надёжно предсказуемыми.