Исследователи создают инструментарий для синтетической биологии

Синтетические биологи уже около дюжины лет работают над созданием генетических цепей для выполнения новых функций, таких как производство лекарств, топлива или даже программирование гибели раковых клеток.

Для реализации сложных функций требуется контроль множества генетических и клеточных компонентов, включая не только гены, но и регуляторные белки, которые их включают и выключают. В живой клетке этот процесс часто регулируется белками, называемыми факторами транскрипции.

До сих пор большинство исследователей проектировали свои синтетические цепи, используя факторы транскрипции, найденные в бактериях. Однако они не всегда хорошо работают в небактериальных клетках, и их сложно масштабировать, что затрудняет создание сложных цепей.

Исследователи из MIT, Бостонского университета (BU), Гарвардской медицинской школы и Массачусетской больницы общего профиля (MGH) разработали новый метод проектирования факторов транскрипции для небактериальных клеток (в данном случае, дрожжевых). Их начальная библиотека из 19 новых факторов транскрипции должна помочь преодолеть существующее узкое место, ограничивающее применение синтетической биологии.

Этот проект является частью более масштабных усилий по разработке генетических «частей», которые можно собирать в цепи для достижения конкретных функций.

Связывание ДНК

Недавние успехи в проектировании белков, связывающихся с ДНК, позволили исследователям начать создание новой библиотеки факторов транскрипции.

Факторы транскрипции включают участок, который распознает и связывается с определённой последовательностью ДНК, называемой промотором. Затем белок рекрутирует фермент РНК-полимеразу, которая начинает копировать ген в матричную РНК (mRNA).

У многих факторов транскрипции ДНК-связывающий участок состоит из белков, известных как цинковые пальцы, которые нацеливаются на разные последовательности ДНК в зависимости от своей структуры. Исследователи основали свои новые конструкции цинковых пальцев на структуре естественного белка цинкового пальца. «Изменяя определённые аминокислоты в этом цинковом пальце, можно заставить их связываться с новыми целевыми последовательностями».

Новые цинковые пальцы были присоединены к существующим активаторным сегментам, что позволило создать множество комбинаций различной силы и специфичности. Также были спроектированы факторы транскрипции, работающие совместно, так что ген может быть включён только если факторы связываются друг с другом.

К большей сложности

Такие факторы транскрипции должны облегчить проектирование цепей для выполнения задач, например, sensing условий окружающей среды клетки.

В этой работе исследователи построили несколько простых цепей в дрожжах, но планируют разрабатывать более сложные цепи в будущих исследованиях. «Мы не построили массивную цепь из 10 или 15 факторов транскрипции, но это именно то, что мы определённо планируем сделать в будущем».

Цепи синтетической биологии могут быть аналоговыми или цифровыми, подобно электрическим цепям. Цифровые цепи включают логические функции, такие как вентили И (AND) и ИЛИ (OR), позволяющие клеткам принимать однозначные решения. Аналоговые функции полезны для сенсоров, непрерывно измеряющих концентрацию определённой молекулы. Комбинируя эти цепи, можно создавать более сложные системы.

Помимо создания более сложных цепей, исследователи планируют испытать новые факторы транскрипции в других видах дрожжей, а в конечном итоге — в клетках млекопитающих, включая человеческие. «В конечном счёте мы очень надеемся, что дрожжи станут хорошей стартовой площадкой для проектирования этих цепей».

Исследование финансировалось Медицинским институтом Говарда Хьюза (HHMI), Национальными институтами здоровья (NIH), Управлением военно-морских исследований (ONR), Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и Национальным научным фондом (NSF).