Strategie založená na kondenzátu chrání syntetické genové obvody napříč buněčnými generacemi

Genetičtí inženýři mohou navrhnout a sestavit sofistikované genové obvody pro programování buněk s novými funkcemi, ale důležité signální molekuly se mohou zředit, jak tyto buňky rostou a dělí se, což způsobí, že obvody syntetických genů ztratí své nové funkce.

Xiaojun Tian, ​​docent na School of Biological and Health Systems Engineering, která je součástí Ira A. Fulton Schools of Engineering na Arizonské státní univerzitě, a jeho tým objevili způsob, jak chránit tyto křehké genetické programy pomocí principu vypůjčeného přímo z přírody.

Projekt je poháněn interdisciplinárními odbornými znalostmi v oblasti syntetické biologie, modelování a metabolického inženýrství, které poskytuje David Nielsen, profesor chemického inženýrství na School for Engineering of Matter, Transport and Energy, která je součástí Fulton Schools na ASU, a Wenwei Zheng, docent chemie na School of Applied Sciences and Arts, rovněž součástí Fulton Schools ASU.

V novém článku publikovaném v Buňkavýzkumníci nastínili techniku, která může stabilizovat syntetické genové obvody vytvořením malých kapénkových kompartmentů uvnitř buněk pomocí procesu nazývaného separace fáze kapalina-kapalina.

Tyto mikroskopické kapičky, nazývané transkripční kondenzáty, fungují jako molekulárně bezpečné zóny kolem klíčových genů a chrání synteticky vytvořené modifikace před odplavením přílivem buněčného růstu.

„Když se snažíme naprogramovat buňky tak, aby prováděly užitečné úkoly, jako je diagnostika nebo terapeutická produkce, genetické programy často selhávají, protože buněčný růst zředí klíčové molekuly potřebné k jejich udržení v chodu,“ říká Tian.

Vyřešili jsme tuto výzvu tím, že jsme využili vlastní strategii separace fází, abychom ochránili zkonstruované systémy.“

Xiaojun Tian, ​​Arizona State University

Půjčování z přírodní knihy

Buňky využívají separaci fází k uspořádání svého vnitřního prostředí a vytvářejí kompartmenty pro základní biochemické reakce bez použití membrán. Tianův tým si uvědomil, že vytvořením podobných kondenzátů kolem syntetických genů by mohli napodobit tuto přirozenou organizaci a udržet genetickou stabilitu napříč různými generacemi buněk.

„Zjistili jsme, že vytvořením malých kapiček nazývaných transkripční kondenzáty kolem genů můžeme chránit genetické programy a udržet je stabilní, i když buňky rostou,“ říká Zheng. „Je to jednoduché fyzikální řešení, které zabraňuje zředění a udržuje obvody v provozu.“

Tento přístup představuje velký posun od tradičních strategií v syntetické biologii, které se do značné míry soustředily na ladění sekvencí DNA nebo regulačních zpětnovazebních smyček, aby udržely funkční systémy.

Namísto složitějších řídicích systémů představil Tianův tým princip fyzického designu, který využívá stávající prostorovou organizaci molekul uvnitř buněk.

Nový design pro samostabilizační, programovatelné buňky

Zatímco přírodní buňky se vyvinuly tak, aby využívaly kondenzáty jako vestavěný ochranný systém pro regulaci aktivity genového okruhu, tato studie je mezi prvními, které ukazují, jak ji lze znovu použít ke stabilizaci syntetických programů.

„Buňky již používají tyto kapičky k tomu, aby se regulovaly,“ říká Tian. „Nyní využíváme stejnou strategii pro syntetickou biologii.“

Přijetí této metodologie by mohlo pomoci výzkumníkům vybudovat spolehlivější biologické systémy, které udržují předvídatelné, produktivní funkce.

„To otevírá nový způsob, jak budovat spolehlivější živé systémy, od stabilních buněčných továren po budoucí lékařské aplikace,“ říká Tian. „Naše strategie se může stát novým principem designu pro výzkumníky, kteří potřebují, aby jejich upravené buňky fungovaly konzistentně.“

Snímky pořízené mikroskopem ze studie ukazují jasné, zářící shluky transkripčních kondenzátů uvnitř buněk, které slouží jako vizuální důkaz, že kapičky se mohou tvořit přesně tam, kde je potřeba stabilizovat genovou aktivitu.

„Je vzrušující vidět, jak lze tyto kapky využít ke zvýšení výnosů bioprodukce,“ říká Nielsen. „Tento druh spolupráce spojuje základní biologické poznatky se skutečnými aplikacemi metabolického inženýrství.“

Získávání stability prostřednictvím spolupráce

Tianova skupina již zkoumá, jak zkonstruovat různé druhy kondenzátů pro řízení různých genů a efektivně je přeměnit na programovatelné řídicí uzly uvnitř buněk.

„Chceme naprogramovat různé kondenzáty, aby řídily různé geny a vytvořily chytré buňky, které se mohou adaptovat a fungovat dlouhodobě,“ říká. „Učíme se, jak navrhovat s buňkou, ne proti ní.“

Tento přístup k navrhování v souladu s přírodou, spíše než snaha ji potlačit, představuje klíčový obrat v oboru. Dalším krokem je demonstrovat aplikace této techniky pro rozmanitější implementace k určení odolnosti a škálovatelnosti, ačkoli výzkumníci nevidí nedostatek potenciálních aplikací.

„Výzkumníci v oblasti syntetické biologie, kteří bojují s nestabilními obvody, to uvidí jako nový způsob, jak zvýšit spolehlivost svých systémů,“ říká Zheng. „Bioprocesní inženýři, kteří chtějí konzistentní výnos, to mohou také použít. Pro biofyziky, jako jsem já, je vzrušující vidět fyzikální principy, jako je separace fází, proměněné v praktické inženýrské nástroje.“

„Tato práce odráží nový směr v syntetické biologii,“ říká Tian. „Pomocí vlastních organizačních principů buňky můžeme budovat systémy, které jsou výkonné a ze své podstaty stabilní.“