Inuti en levande cell är en trång plats, med proteiner och andra makromolekyler packade tätt ihop. Ett team av forskare vid Carnegie Mellon University har approximerat denna molekylära trängsel i ett artificiellt cellulärt system och funnit att trånga delar hjälper genuttrycksprocessen, särskilt när andra förhållanden är mindre än idealiska.
Som forskarna rapporterar i en förhandspublikation på nätet av tidskriften Naturnanoteknik , dessa fynd kan hjälpa till att förklara hur celler har anpassat sig till fenomenet molekylär trängsel, som har bevarats genom evolutionen. Och denna förståelse kan vägleda syntetiska biologer när de utvecklar artificiella celler som en dag kan användas för läkemedelsleverans, biobränsleproduktion och biosensorer.
"Det här är babysteg vi tar för att lära oss att göra konstgjorda celler, "sa Cheemeng Tan, en Lane Postdoctoral och en Branco-Weiss Fellow i Lane Center for Computational Biology, som ledde studien. De flesta studier av syntetiska biologiska system använder idag lösningsbaserad kemi, som inte innebär molekylär trängsel. Resultaten av CMU -studien och lärdomarna av evolution tyder på att bioingenjörer kommer att behöva bygga trängsel i artificiella celler om syntetiska genetiska kretsar ska fungera som de skulle i riktiga celler.
Forskargruppen, som inkluderade Russell Schwartz, professor i biologiska vetenskaper; Philip LeDuc, professor i maskinteknik och biologiska vetenskaper; Marcel Bruchez, professor i kemi; och Saumya Saurabh, en doktorsexamen student i kemi, utvecklat sitt artificiella cellulära system med hjälp av molekylära komponenter från bakteriofag T7, ett virus som infekterar bakterier som ofta används som förebild i syntetisk biologi.
För att efterlikna den trånga intracellulära miljön, forskarna använde olika mängder inerta polymerer för att mäta effekterna av olika densitetsnivåer.
Trängsel i en cell skiljer sig inte så mycket från en folkmassa, Sa Tan. Om bara ett fåtal personer är i ett rum, det är lätt för människor att mingla, eller ens att bli isolerad. Men i ett trångt rum där det är svårt att röra sig, individer tenderar ofta att hålla sig nära varandra under längre perioder. Samma sak händer i en cell. Om det intracellulära utrymmet är trångt, bindningen mellan molekylerna ökar.
I synnerhet, forskarna fann att de täta miljöerna också gjorde gentranskription mindre känslig för miljöförändringar. När forskarna ändrade koncentrationerna av magnesium, ammonium och spermidin - kemikalier som modulerar stabiliteten och bindningen av makromolekyler - de hittade högre störningar av genuttryck i miljöer med låg densitet än i miljöer med hög densitet.
"Konstgjorda cellulära system har en enorm potential för applikationer inom läkemedelsleverans, bioremediering och mobil databehandling, "Tan sa." Våra resultat understryker hur forskare kan utnyttja fungerande mekanismer för naturliga celler till deras fördel för att styra dessa syntetiska cellulära system, liksom i hybridsystem som kombinerar syntetiska material och naturliga celler. "
