Forskare från Rice University har skapat en verktygslåda för syntetiska biologer som behöver justera in- och utnivåerna för genetiska kretsar exakt.

Forskningen, som är online i Nature Communications, är en välsignelse för livsforskare som systematiskt konstruerar bakterier och andra organismer för att utföra uppgifter som de naturligt inte skulle göra.

"Probiotika är ett exempel, sa Matthew Bennett, docent i biovetenskaper vid Rice och en av de ledande forskare i den nya studien. "De är nyttiga tarmbakterier som är viktiga för människors hälsa, och många syntetiska biologer tittar på sätt att designa probiotika som kan diagnostisera eller bekämpa sjukdomar. Sådana konstruerade probiotika skulle kunna producera läkemedel eller andra komplexa molekyler i människokroppen för att bekämpa sjukdomar som sträcker sig från cancer till inflammatorisk tarmsjukdom."

Att producera läkemedel när och var de behövs i kroppen skulle öppna nya dörrar för att bekämpa sjukdomar, men, Bennett sa, syntetiska biologer har kämpat för att designa kretsar som är tillräckligt exakta för läkemedelstillförsel.

"Syntetiska biologer måste skapa gener som slås på eller av som svar på miljösignaler, " sa han. "Dessa fungerar som sensorer, låter probiotikan producera läkemedlet när det behövs baserat på miljösignaler."

Med hjälp av bakterierna Escherichia coli, Bennett, doktorand Ye Chen, postdoktorala forskarna Joanne Ho och David Shis och kollegor från University of Houston, använde modulära molekylära byggstenar för att skapa promotorer som slår på och av gener så mycket som behövs.

Även om genetiska kretsar är som elektriska kretsar på vissa sätt, strömbrytarna för att slå på och av dem är mycket mer komplicerade. Av sig själva, gener kan inte göra de proteiner de kodar för. Istället, specialiserade enzymer läser av generna och stämplar ut proteiner baserat på vad de läser. Genpromotorer är en annan specialist i denna process.

"En promotor driver en gen, ", sa Bennett. "Den initierar avkodningen och bestämmer när genen slås på eller av.

"Syntetiska biologer har utvecklat promotorregioner för att svara på olika kemiska signaler, men vi har fastnat i vad naturen har gett oss, " sade han. "En naturligt förekommande promotor som svarar på en kemikalie kanske inte beter sig bra när den används i en syntetisk genkrets. Det kanske inte slår på eller av målgenen så mycket som vi skulle vilja. Om en bakterie vill känna av en viss kemisk signal, det kommer att slå på eller av en gen på det sätt den behöver. Det kanske slår på det lite, eller så kan det slå på den mycket. Vi hade inte så mycket kontroll över det tidigare."

Dessutom, Bennett sa, många promotorer är "läckande" i den meningen att även när de stänger av en gen producerar den fortfarande små mängder protein.

"Det finns evolutionära skäl till varför läckage kan uppstå i naturen, men när du konstruerar en krets, du behöver mer precision, " han sa.

Promotorer är regioner av DNA som delvis är adressrad och delvis instruktionsmanual. De talar inte bara om för transkriptionsproteiner var de ska börja läsa en gen, men de reglerar också hur starkt genen är påslagen – om den producerar mycket eller lite protein. Med hjälp av ett modulärt tillvägagångssätt, Bennetts team utvecklade ett designschema för att skapa icke-läckande promotorer som aktiveras så mycket som behövs.

University of Houston matematiker Krešimir Josić, Chinmaya Gupta och William Ott beräknade några av de specifika egenskaper som skulle behövas för varje byggsten och arbetade med Rice-teammedlemmar som designade, skapade och testade dem i E. coli. Olika block blandades och matchades för att bilda ett bibliotek av promotorer, som var och en utformades för att reagera på ett specifikt sätt på en eller flera kemiska insatser.

Till exempel, i en genetisk krets, en gen kan programmeras att slås på när den tar emot en specifik signal, och produkten av den genen kan vara ett litet molekylprotein som i sin tur aktiverar eller stänger av en annan gen. Genom att stränga ihop hela uppsättningar av dessa gener, syntetiska biologer kan bygga komplexa kretsar.

"Denna förmåga är nyckeln för att konstruera syntetiska genreglerande kretsar som kräver exakta in- och utdataförhållanden, " Bennett och kollegor skrev i sin Nature Communications-tidning. "Detta dokument ger en enkel, kostnadseffektiva medel för tekniska promotorer som tillhandahåller användardefinierade dynamiska intervall, som kommer att möjliggöra finjustering av det metabola flödet inom syntetiska biologiska och kemiska kretsar inuti levande celler."

Bennett sa att ett annat nyckelelement i projektet var att utforma promotorer som endast kunde aktiveras i närvaro av två eller flera signaler.

"Naturen ger oss bara några få exempel på promotorer som använder flera indata, så att designa icke-läckande, lättanvända promotorer med flera ingångar var en hög prioritet för oss, " han sa.