Våra kroppars gener samverkar för att reglera hur våra celler beter sig. Om du till exempel hudar ditt knä använder dina gener ett kemiskt meddelandesystem för att styra en armé av celler för att läka skavsår. Om forskare kunde skapa artificiella gener som kan utföra samma funktioner men som verkar inuti material snarare än organismer, skulle en mängd nya diagnostiska, självläkande material vara möjliga.

Ett team ledd av Johns Hopkins ingenjör Rebecca Schulman lägger grunden för det arbetet genom att konstruera syntetiska kemiska system som kan efterlikna de komplexa beteendena hos naturliga gennätverk. Deras arbete dök nyligen upp i Nature Chemistry .

"Celler använder gener för att bestämma hur de ska röra sig, växa och agera. Förmågan att göra enkla "gener" som kan fatta beslut på egen hand kan leda till bättre diagnostik eller terapi, eller till och med ge sätt att bygga nya typer av mjuka materialrobotar som styrs av kemi istället för elektronik", säger Schulman, som är docent i kemi- och biomolekylär ingenjörsteknik och biträdande forskare vid Whiting School of Engineering's Institute for NanoBioTechnology.

Människokroppen består av cirka 25 000 gener, och de kemiska interaktionerna som dessa gener använder för att reglera celler har många steg och rörliga delar. Forskare har lärt sig att de inte behöver noggrant återskapa vart och ett av dessa naturliga biologiska steg för att skapa syntetiska genanaloger som kan utföra samma funktioner. För att förbättra och bättre förutsäga genanalogernas beteende skapade Schulman och hennes team ett molekylärt verktygspaket som inkluderar geneletter (mycket små gener vars funktioner kan variera beroende på instruktioner) och förenklade matematiska modeller som förutsäger hur genelets kommer att bete sig.

Teamets förenklade geneletsystem använder DNA, summan av en organisms genetiska information; RNA, som förmedlar genetisk information till de delar av en cell som producerar proteiner; ett polymerasenzym som transkriberar DNA för att göra RNA-kopior; och ett RNas-enzym som bryter ned RNA. Genom att använda bara dessa enkla element kan Schulman-teamets system anpassa sig och återställas när miljön förändras, precis som naturliga gener i kroppen gör.

"En av utmaningarna är att komponenterna som består av DNA och RNA inte alltid beter sig som förutspått", förklarar hon. "Också vissa komponenter, som polymerasenzymer, är enkla och lätta att arbeta med, men svåra att kontrollera. Detta gör det svårt att konstruera system som resulterar i de resultat vi vill ha."

För att undvika oönskade reaktioner skapade Schulmans team en enkel matematisk modell som förutsätter att alla komponenter beter sig på samma sätt. Sedan, för att bygga ett kemiskt system som följde förutsägelsen av den enkla modellen, identifierade de systematiskt oönskade reaktioner och undertryckte dem genom att modifiera regioner av enkelsträngat DNA.

"Vanligtvis härrör oönskade reaktioner från polymerasenzymet eftersom det är ganska reaktivt mot DNA-komponenter", säger Samuel Schaffter, huvudförfattare till arbetet och en alun från Johns Hopkins. Han är postdoktor vid National Institute of Standards and Technology.

Teamet undersökte potentiella komponenter för den aktivitet de ville ha och utelämnade sådana som avvek avsevärt från det förväntade resultatet. Detta, i kombination med de kemiska modifieringarna för att förhindra oönskade reaktioner, gav ett bibliotek med cirka 15 geneletter med universell standardprestanda.

De använde dessa standardkomponenter för att konstruera nätverk som utför nyckeluppgifter som observerats i celler, till exempel uppgifter som vägleder celler under utveckling, såväl som nätverk som kan minne. Deras resultat överensstämde anmärkningsvärt väl med deras enkla modellförutsägelser, vilket indikerar kraften i konstruktion med komponenter med standardiserad prestanda.

Forskarna arbetar nu med att använda dessa kemiska system för att kontrollera beteendet hos nanostrukturer, nanopartiklar och hydrogeler, som skulle kunna användas i avancerad diagnostik, och kanske en dag, självläkande elektronik. De hoppas att denna verktygslåda kommer att inspirera till nya applikationer i andra forskargrupper och utvecklat ett mjukvarupaket tillgängligt på GitHub. Användare kan snabbt simulera vilket nätverk som helst och producera DNA-sekvenser för att testa i labbet.

"Vi vill göra det här systemet så enkelt som möjligt för andra forskare att använda," sa Schaffter, "Vi konvergerar mot ett system som inte längre begränsas av experimentella utmaningar och vårt mål är att ha den enda begränsningen vara forskarens fantasi. ." + Utforska vidare

Ny metod för att på konstgjord väg skapa genetiska switchar för jäst