萊斯大學(xué)的科學(xué)家為合成生物學(xué)家創(chuàng)建了一個工具包，他們需要精確調(diào)整遺傳電路的輸入和輸出水平。
“益生菌就是一個例子，”萊斯生物科學(xué)副教授，新研究的聯(lián)合首席科學(xué)家馬修貝內(nèi)特說。“它們是對人類健康至關(guān)重要的有益腸道細(xì)菌，許多合成生物學(xué)家正在研究設(shè)計可以診斷或?qū)辜膊〉囊嫔姆椒?。這種工程化益生菌能夠在人體內(nèi)產(chǎn)生藥物或其他復(fù)雜分子。對抗疾病，從癌癥到炎癥性腸病。“
在身體需要的時間和地點(diǎn)生產(chǎn)藥物將為抗擊疾病打開新的大門，但是，Bennett說，合成生物學(xué)家一直在努力設(shè)計出足夠精確的藥物輸送電路。
“合成生物學(xué)家需要創(chuàng)造出能夠根據(jù)環(huán)境因素打開或關(guān)閉的基因，”他說。“它們充當(dāng)傳感器，允許益生菌根據(jù)環(huán)境因素在需要時生產(chǎn)藥物。”
使用細(xì)菌大腸桿菌，Bennett，研究生Ye Chen，博士后研究人員Joanne Ho和David Shis以及休斯頓大學(xué)的同事們，利用模塊化分子構(gòu)建模塊創(chuàng)建了可以根據(jù)需要打開和關(guān)閉基因的啟動子。
雖然遺傳電路在某些方面類似于電路，但用于打開和關(guān)閉它們的開關(guān)要復(fù)雜得多。基因本身不能制造它們編碼的蛋白質(zhì)。相反，專門的酶根據(jù)他們閱讀的內(nèi)容讀取基因并消除蛋白質(zhì)?；騿幼邮沁@一過程的另一個專家。
“一位發(fā)起人駕駛一種基因，”貝內(nèi)特說。“它啟動解碼并確定何時打開或關(guān)閉基因。
“合成生物學(xué)家一直在設(shè)計促進(jìn)劑區(qū)域來應(yīng)對不同的化學(xué)信號，但我們一直堅持大自然賦予我們的東西，”他說。“當(dāng)在合成基因回路中使用時，對化學(xué)物質(zhì)起反應(yīng)的天然存在的啟動子可能表現(xiàn)不佳。它可能不會像我們希望的那樣開啟或關(guān)閉目標(biāo)基因。如果細(xì)菌想要感知特定的化學(xué)物質(zhì)，它會以它需要的方式打開或關(guān)閉一個基因。它可能會稍微轉(zhuǎn)一下它，或者可能會把它轉(zhuǎn)過來。我們之前沒有太多控制權(quán)。“
此外，Bennett說，許多發(fā)起人都是“漏水”的，即使他們轉(zhuǎn)換一個基因，它仍會產(chǎn)生少量蛋白質(zhì)。
“有一些進(jìn)化原因可以解釋為什么在自然界中會出現(xiàn)泄漏，但是當(dāng)你設(shè)計一個電路時，你需要更高的精度，”他說。
啟動子是DNA區(qū)域，是部分地址線和部分說明手冊。他們不僅告訴轉(zhuǎn)錄蛋白從何處開始閱讀基因，而且還可以調(diào)節(jié)基因的開啟程度 - 無論是產(chǎn)生多少還是少量蛋白質(zhì)。使用模塊化方法，Bennett的團(tuán)隊開發(fā)了一種設(shè)計方案，用于創(chuàng)建根據(jù)需要開啟的非泄漏啟動器。
休斯頓大學(xué)的數(shù)學(xué)家Kresimir Josic，Chinmaya Gupta和William Ott計算了每個構(gòu)建塊所需的一些特定屬性，并與在大腸桿菌中設(shè)計，創(chuàng)建和測試它們的Rice團(tuán)隊成員合作。將各種塊混合并匹配以形成啟動子庫，每個啟動子被設(shè)計成以特定方式與一種或多種化學(xué)輸入反應(yīng)。
例如，在遺傳回路中，可以編程一個基因以在其接收特定提示時接通，并且該基因的產(chǎn)物可以是小分子蛋白質(zhì)，其反過來激活或關(guān)閉另一個基因。通過將整組這些基因串聯(lián)在一起，合成生物學(xué)家可以構(gòu)建復(fù)雜的電路。
“這種能力是構(gòu)建需要精確輸入和輸出關(guān)系的合成基因調(diào)控電路的關(guān)鍵，”Bennett及其同事在他們的Nature Communications論文中寫道。“本文提供了一種簡單，具有成本效益的工程啟動子方法，可提供用戶定義的動態(tài)范圍，從而可以微調(diào)活細(xì)胞內(nèi)合成生物和化學(xué)回路中的代謝通量。”
貝內(nèi)特說，該項目的另一個關(guān)鍵要素是設(shè)計啟動器，只有在有兩個或更多提示的情況下才能激活。
“大自然只給我們提供了一些使用多個輸入的啟動子的例子，因此設(shè)計非漏，易于使用的多輸入啟動子對我們來說是一個高優(yōu)先級，”他說。