Nyligen genomförda upptäckter av två forskarlag vid Ira A. Fulton Schools of Engineering vid Arizona State University främjar området syntetisk biologi.

Biträdande professor Xiaojun Tian och docent Xiao Wang genomförde ett år långt samarbete med sina laboratoriegrupper på School of Biological and Health Systems Engineering, en av de sex Fulton-skolorna. Resultat från deras nya forskning om hur konstruerade genkretsar interagerar med biologiska värdceller har publicerats denna vecka i den vetenskapliga tidskriften Naturens kemiska biologi .

Syntetisk biologi tillämpar ingenjörsmetoder för att designa nya biologiska nätverk eller omdesigna aspekter av befintliga biologiska system. Det är ett snabbt växande studieområde, och många betydande framsteg har gjorts under de senaste 20 åren.

Det tidiga arbetet inkluderade att skapa syntetiska genkretsar och placera dem i naturliga värdceller.

"Men konceptet med en krets här är abstrakt, " Wang säger. "Föreställ dig en sekvens av genetiska segment där den första kodar för eller producerar ett särskilt protein. Det där proteinet, i tur och ordning, kan antingen aktivera eller hämma uttrycket eller proteinproduktionen från ett annat segment i den genetiska sekvensen. Om du fortsätter att utöka denna idé, du kan föreställa dig att det är som ett nätverk."

Det är denna kedja av påverkan eller incitament som fungerar som en krets, snarare än de fysiska kopplingarna inom den genetiska sekvensen. Dock, tidigare forskning har fokuserat på bara beteendet hos konstruerade genetiska kretsar själva, med liten uppmärksamhet på bakgrunden eller sammanhanget som representeras av värdceller.

"Det är svårt att förutsäga hur dessa interaktioner påverkar funktionerna hos de konstruerade genetiska kretsarna, " säger Tian, "för att inte tala om hur man kontrollerar dem och får kretsarna att fungera som önskat inom komplicerade, verkliga miljöer."

Verkligen, dessa syntetiska genkretsar fungerar vanligtvis bara i en laboratoriemiljö, inte under mer verklighetstrogna förhållanden. Och denna begränsning hämmar i hög grad tillämpningen av konstruerade genkretsar i kliniska miljöer.

Att försöka föra fram fältet i den praktiska riktningen, den nya forskningen av Tian och Wang undersökte förhållandet mellan de syntetiska genkretsarna och deras värdceller. Specifikt, de undersökte effekten av "minneskretsar" implanterade i värdceller, och påverkan av genkrets-topologier, "eller arkitekturen för sammankopplingar mellan kretskomponenter, i förhållande till värdcelltillväxt.

I samband med detta arbete, idén om minne relaterar till fortsättningen av inflytande eller inducering inom en konstruerad genkrets även med frånvaro av en stimulans.

"Tänk på en ljusströmbrytare i ditt hus, "Wang säger." Ljuset lyser även när du tar bort fingret från strömbrytaren. Vi hänvisar till det ihållande tillståndet som minne."

Tian och Wangs nya forskning avslöjade att minneskretstopologier påverkas avsevärt av värdcellens beteende.

"Vi verifierade att influenser utbyts mellan genkretsen och värdcellen, " säger Tian. "Det vill säga, kretsen påverkar värdcellen, vilket i gengäld har en inverkan på kretsen. Det är som en slinga.

"Men vi visade också att påverkan på en kretsens funktionalitet beror på dess topologi, " säger han. "Så, en kretstopologi visar bättre prestanda än andra inom en dynamisk värdmiljö."

Deras upptäckt som relaterar kretstopologi till en värdcells inverkan på kretsfunktion är den första inom området syntetisk biologi, och det utökar meningsfull vetenskaplig förståelse för dessa komplexa interaktioner.

"Det banar väg för att bygga robust, konstruerade genkretsar, " säger Tian. "Dessa kan en dag förbättra interventioner mot metastasering av cancer, till exempel, genom att bromsa cancercellernas förmåga att översätta sin utveckling."

Framsteg från forskningen som Tian och Wang har publicerat inkluderar att undersöka effekten av att lägga till ytterligare syntetiska genkretsar eller moduler i värdceller, vilket avsevärt höjer komplexiteten när moduler konkurrerar om resurser inom det cellulära systemet.

Wang säger att School of Biological and Health Systems Engineering inom Fulton Schools är särskilt välplacerad för upptäckter inom syntetisk biologi.

"Vi har en kritisk massa av engagerade människor som är strategiskt investerade i att främja detta forskningsområde på lång sikt, " säger han. "Så, vi strävar efter att vara ledande inom detta område."