Under de senaste 17 åren har forskare och ingenjörer har utvecklat syntetiska genkretsar som kan programmera funktionaliteten, prestanda, och beteende hos levande celler. Analogt med integrerade kretsar som ligger till grund för otaliga elektroniska produkter, konstruerade genkretsar kan användas för att generera definierad dynamik, koppla om endogena nätverk, känna miljöstimuleringar, och producera värdefulla biomolekyler.

Dessa genkretsar har ett stort löfte inom medicinska och biotekniska tillämpningar, som att bekämpa superbuggar, tillverkning av avancerade biobränslen, och tillverkning av funktionella material.

Hittills, de flesta kretsar är konstruerade på ett försök-och-fel-sätt, som är mycket beroende av en designers intuition och ofta är ineffektiv, sade University of Illinois Bioengineering Docent Ting Lu. "Med ökningen av kretsens komplexitet, bristen på förutsägbara designriktlinjer har blivit en stor utmaning när det gäller att förverkliga potentialen i syntetisk biologi, "sa Lu, som också är ansluten till Carl R. Woese Institute for Genomic Biology and Physics Department i Illinois.

Forskare har vänt sig till kvantitativ modellering för att hantera denna utmaning för genkretsdesign. Typiska modeller betraktar genkretsar som isolerade enheter som inte interagerar med sina värdar och fokuserar endast på de biokemiska processerna i kretsarna, noterade Lu.

"Även om det är mycket värdefullt, det nuvarande modelleringsparadigmet är ofta oförmöget att kvantitativt, eller till och med kvalitativt ibland, beskriver kretsbeteenden, "sade han." Allt fler experimentella bevis har antytt att kretsar och deras biologiska värd är nära förbundna och deras koppling kan påverka kretsbeteenden betydligt. "

Lu och hans doktorander, Chen Liao och Andrew Blanchard, hanterade nyligen utmaningen genom att konstruera ett integrerat modelleringsramverk för kvantitativt att beskriva och förutsäga genkretsbeteenden. Använder sig av Escherichia coli ( E coli ) som modellvärd, ramverket består av en grovkornig men mekanistisk beskrivning av värdfysiologi som involverar dynamisk resurspartitionering, flerskiktad krets-värdkoppling, och en detaljerad kinetisk modul för exogena kretsar.

Teamet visade att efter utbildning, ramverket kunde fånga och förutsäga en stor uppsättning experimentella data om värden och enkelt genöveruttryck. Till exempel, de upptäckte att ppGpp-medierade effekter är nyckeln till att förstå konstitutivt genuttryck under miljöförändringar, inklusive både närings- och antibiotikaförändringar. Teamet visade också plattformens användbarhet genom att tillämpa den för att undersöka en tillväxtmodulerande återkopplingskrets vars dynamik kvalitativt förändras av krets-värdkopplingar och avslöja beteendet hos en växelströmställare över skalor från encelliga dynamik till befolkningsstruktur och till rumslig ekologi.

Även om Lus ramverk upprättades med E. coli som modellvärd, den har potential att generaliseras för att beskriva flera värdorganismer. "Till exempel, vi fann det, genom att bara variera en enda parameter, ramverket framgångsrikt förutspådde flera viktiga värdmätvärden, inklusive RNA-till-protein-förhållande, RNA -innehåll per cell, och genomsnittlig peptidförlängningshastighet, för Salmonella typhimurium och Streptomyces coelicolor , "sa Lu.

Enligt Lu, detta arbete främjar den kvantitativa förståelsen av genkretsbeteenden, och underlättar omvandlingen av gen-nätverksdesign från trial-and-error-konstruktion till rationell framåtriktad teknik. Genom att systematiskt illustrera viktiga cellulära processer och flerskiktade krets-värd-interaktioner, det belyser vidare kvantitativ biologi mot en bättre förståelse av komplex bakteriell fysiologi.

Arbetet beskrivs i Lus tidning, "En integrerande krets-värd-modelleringsram för att förutsäga syntetiska gennätbeteenden, "publicerad den 25 september, 2017 nummer av Naturmikrobiologi .