ETH-forskare har utvecklat en metod som gör att stora mängder genetisk information kan komprimeras och sedan dekomprimeras igen i celler. Detta kan hjälpa till att utveckla nya terapier.

Vad gör du om du har ett stort dokument eller en högupplöst bild som är för stor för att skickas via e-post? Du zippar den helt enkelt till en mer hanterbar storlek med hjälp av en lämplig programvara. "Istället för att skicka informationen 'vit-vit-vit-vit-vit-...' för varje enskild pixel på en vit linje, endast meddelandet 'vit 1, 000 gånger' sänds, " förklarar Kobi Benenson, Chef för Synthetic Biology Group vid ETH:s institution för biosystemvetenskap och teknik i Basel. När väl mottagits, informationen kan sedan återställas till sin ursprungliga storlek, dvs uppackad.

Begränsad transportkapacitet

Denna metod för digitala filer inspirerade Benenson och hans kollega Nicolas Lapique att utveckla en innovativ lösning för biologiska system. De utarbetade en metod som kunde användas för att zippa det genetiska materialet DNA:det komprimeras för transport in i celler och sätts sedan ihop till fungerande genetisk information när det väl är inne i cellen.

Denna typ av lösning kan vara användbar för biologer, särskilt för syntetisk biologi eller bioteknik, eftersom forskarna är begränsade när de försöker implantera stora mängder information i celler i form av DNA. Problemet är att de transportfordon som idag används för detta ändamål endast kan lastas med en begränsad mängd DNA.

Ta bort upprepningar i DNA

Grundprincipen bakom denna innovativa DNA-komprimering är densamma som principen bakom att zippa en digital fil:"Element som ofta kommer upp i DNA-sekvensen som ska implanteras överförs bara en gång, " förklarar Benenson.

Till exempel, detta kan gälla promotorer - delar av DNA:t som reglerar om och hur den associerade genen läses. Om DNA:t som ska transporteras in i cellen innehåller fyra olika gener som alla har samma promotor, det kommer bara att inkluderas en gång.

Tätt förpackad och återmonterad på destinationen

Att ta bort uppsägningar är inte allt, dock. ETH-forskarna sätter ihop det DNA som ska transporteras in i cellen i enlighet med specifika regler. Benenson talar om "komprimerad kodning".

De fyra generna i vårt exempel får först en gemensam promotor. Forskarna sätter ihop de fyra kodande gensekvenserna kompakt på DNA-dubbelsträngen. De utrustar det hela med individuella stoppsekvenser och - viktigare - olika bindningsställen för ett rekombinas, ett enzym som kan öppna sig, rotera, och återmontera DNA-strängar.

"Rekombinaset tar rollen som dekompressionsmjukvaran, " förklarar Benenson. Det säkerställer att komponenterna i det komprimerade DNA:t sätts ihop i fungerande skick inuti cellen. För de fyra exempelgenerna, detta innebär att var och en kommer att få sin egen promotor när de återmonterats.

Genetiska program upptäcker tumörceller

Benenson och Lapique kunde visa att denna nya metod faktiskt tillåter att stora "genetiska program" implanteras i däggdjursceller. "De här är konstgjorda och utför specifika uppgifter inom cellerna, " förklarar Benenson. Med andra ord, de omfattar en hel arsenal av biologiska komponenter som proteiner och RNA som arbetar inom cellen på ett samordnat sätt för att uppnå ett mål som definierats av forskarna. Inom bioteknik, denna metod skulle möjliggöra skapandet av vissa komplexa substanser såsom aktiva ingredienser för läkemedel.

Benensons grupp, dock, arbetar med genetiska program som förhoppningsvis kommer att bemästra mycket mer komplicerade uppgifter i framtiden. En sådan uppgift är cancerinriktning, vilket innebär att programmet kan upptäcka specifika ämnen, markörerna, i en cell. Beroende på koncentrationen, det avgör om cellen är frisk eller om det är en tumörcell - som programmet sedan självständigt skulle kunna eliminera. Det skulle vara en sorts allt-i-ett-lösning för att bekämpa tumörer som skulle täcka undersökningen, diagnos och även behandling. Detta tillvägagångssätt har visat sig fungera i cellkulturer och forskaren skulle vilja testa det i en djurmodell också.

Mer exakta diagnoser tack vare nya metoder

Med för närvarande tillgängliga DNA-leveransfordon, noggrannheten för att avgöra om en cell är frisk eller cancerös är fortfarande inte tillräckligt hög, eftersom inte tillräckligt många olika markörer kan appliceras på en gång på grund av den begränsade mängden DNA som kan överföras.

"En kombination av fyra till sex markörer skulle vara idealisk, " förklarar Benenson. För att upptäcka alla dessa, dock, motsvarande antal sensorer behövs för att känna igen markörämnena. Fler sensorer - detta involverar proteiner, RNA, och DNA-komponenter – skulle också innebära mer DNA som måste implanteras i cellen som sensorernas ritning. De hoppas nu att ett program kan använda denna nya DNA-komprimerings- och dekomprimeringsmetod för att implementera ytterligare sensorer och därmed öka noggrannheten.

Låna från informationsteknik

Det är ingen slump att de genetiska programmen som utvecklats av Benenson och Lapique är logiskt uppbyggda och fungerar på ett liknande sätt som datorprogram. "Vår forskning är ofta inspirerad av datavetenskap och informationsteknologi, " förklarar Benenson. Han tycker väldigt tydligt om att tänka utanför ramarna. När det kommer till de nya DNA-transportmetoderna, det är säkert att säga:det är tur att e-postbilagor har storleksbegränsningar.

Studien publiceras i Naturens nanoteknik .