Forskare från Rice University som säger att biologiska sensorer inte är tillräckligt känsliga gör något åt ​​det.

Laboratoriet för syntetiska biologen Jeffrey Tabor har introducerat en ny teknik för att ringa upp eller ner känsligheten för tvåkomponentsystem-en klass av proteiner som bakterier använder för att känna av en mängd olika stimuli.

Tekniken kan möjliggöra konstruktion av skräddarsydda biosensorer för diagnostiska tarmbakterier, upptäckt av miljöföroreningar eller automatiserad kontroll av näringsnivåer i marken.

Tvåkomponentssensorer, fokus för en ny uppsats som beskriver arbetet inom Nature Communications, är en stor familj av genetiskt kodade sensorer som bakterier använder för att känna av en specifik inmatning och aktivera en specifik gen som svar på förändringar i sin omgivning.

Även om dessa sensorer har varit kända i tre decennier, de var inte tillräckligt känsliga för Tabor. Han och Rice -alumnen och huvudförfattaren Brian Landry försökte minska mängden input som behövs för att slå på dem.

Genom att kombinera datormodellering och experiment, de uppnådde just det. I tidningen, de beskriver sin upptäckt att fosfatasaktivitet, som är avgörande för reglering och signalering i celler, kan ha en dramatisk effekt på detekteringströsklarna för tvåkomponentsystem.

Tidigare forskning hade visat att mutationer till den första komponenten, ett signalsensorprotein som kallas histidinkinas, kan användas för att kontrollera omfattningen av fosforylering av den andra komponenten, ett svarsreglerande protein. Men ingen hade föreslagit att fosfatasmutationer kan användas för att ändra känsligheten hos dessa vägar för deras insatser, Sa Tabor.

En dag, inför en nitratsensor som inte tändes som förväntat i tarmen hos en sjuk mus, Landry antog att fosfatasmutationer kan dramatiskt öka vägens känslighet.

Han validerade först hypotesen med hjälp av en matematisk modell och utförde sedan experiment som visade att mutationerna ökade effektiviteten hos en nitratsensor med en faktor 100. Tabors laboratorium validerade tillvägagångssättet i tvåkomponentsystem som känner av en mängd olika ingångar , även hos väldigt olika bakteriearter.

Landry arbetade med en annan Rice -bioingenjörsstudent, medförfattare Lucas Hartsough, att identifiera en "hot spot" aminosyra som finns i 64 procent av alla sensorhistidinkinaser som kan muteras för att justera känsligheten. De validerade tillvägagångssättet i två minimalt karakteriserade vägar, vilket föreslog att den kan tillämpas i stor utsträckning, Sa Tabor.

Landry använde också tekniken för att konstruera en jordbakterie, Bacillus subtilis, att känna och reagera på ett brett spektrum av nitrat (gödningsmedel) koncentrationer i jorden. Tabor och Landry föreslår att detta system kan kopplas till vägar under utveckling av en kollega på MIT, syntetiska biologen Chris Voigt, och hans laboratorium för att konstruera markbakterier som bibehåller optimala kvävehalter i marken utan behov av gödselmedel.

Tvåkomponentsystem kan utlösas av många typer av ingångar, inklusive gaser, hemmolekyler i blod, sockerarter, tarmpolysackarider, mänskliga eller växthormoner eller till och med ljus.

"Det är därför vi är så glada över det här, "Sade Tabor." Dessa sensorer fungerar alla på samma sätt. De har alla fosfatas och kinas. Vi har identifierat över 25, 000 av dem i bakteriegener och vi tror att vår strategi kommer att fungera på de flesta av dem. "

Han sa att hans laboratoriums teknik är beroende av signalvägen genom vilken naturliga sensormolekyler säger till cellerna att stanna, starta eller ändra produktionen av proteiner. Stämning av naturliga sensorer för syntetiska applikationer har varit svårt fram till nu, han sa.

"En av de stora begränsningarna är att när du tar en biosensor från naturen, det kan känna den kemikalie du är intresserad av, men inte i rätt koncentration. Detta beror på att den har utvecklats för att tillåta en bakterie att överleva bättre i en naturlig miljö snarare än att tillgodose de tekniska behoven hos en syntetisk biolog, " han sa.

"Vi kallar denna nivå för detekteringströskeln för sensorn, och det har inte funnits många bra tekniker för att justera tröskeln för att matcha våra tekniska behov, "Tabor sa." Det har varit en stor begränsning i biosensordesign. Men nu, vi har hittat ett allmänt knep som gör att vi kan ställa in detekteringströsklarna för denna familj av bakteriesensorer på ett mycket rationellt sätt, och det fungerar ganska bra. "

I sina simuleringar och experiment, labbet muterade histidinkinasproteinet, som detekterar en ingång och släpper ut en fosfatgrupp som binder till svarsregulatorn. Den där, i tur och ordning, binder till DNA för att aktivera genuttryck.

"När du aktiverar genuttryck, det är din signal, "Tabor sa." Det som är coolt med dessa vägar är att när ingången är frånvarande, sensorn histidinkinas fungerar istället som fosfatas och tar bort fosfatgruppen. När det händer, svarsregulatorn faller av DNA:t och aktiverar inte längre genuttrycket. "

Han sa att mutation av histidinkinas för att gynna att slå på eller stänga av signalen kan användas för att styra åtgärder från responsregulatorer, och därmed mängden önskade proteiner som produceras.

"Vi resonerade att det är som en dragkamp mellan kinasaktiviteten och fosfatasaktiviteten, "Tabor sa." Den balansen avgör hur mycket input som behövs för att slå på sensorn. Så det här är som en ratt där vi kan göra fosfatasaktiviteten starkare eller svagare för att justera ingången. "

Han sa att processens allmänhet borde öka syntetisk biologi i allmänhet. "Det finns alternativa metoder för att göra det vi gjorde här, men de är mycket mer arbetskrävande, "Tabor sa." Det är mer sannolikt att de misslyckas, och de skulle ta en hel doktorsexamen för att få dem att arbeta, medan vi kan göra detta på en vecka och få det att fungera. "