Система, разработанная аспирантами Эялем Карцбруном и Александрой Тайар в лаборатории профессора Роя Бар-Зива из отдела материалов и интерфейсов Института Вейцмана, в сотрудничестве с профессором Винсентом Нуаро из Университета Миннесоты, состоит из нескольких отсеков, «выгравированных» ‘на биочип. Эти отсеки — искусственные клетки глубиной всего в одну миллионную метра — соединены тонкими капиллярными трубками, образуя сеть, которая обеспечивает диффузию биологических веществ по всей системе.
Внутри каждого отсека исследователи вставить геном клетки — нити ДНК, разработанные и контролируемые самими учеными. Чтобы преобразовать гены в белки, ученые передали контроль бактерии E. coli: заполнение отсеков экстрактом клеток E. coli — решение содержащий весь бактериальный механизм трансляции белков, за вычетом его кода ДНК — ученые могли сидеть сложа руки и наблюдать динамику синтеза белка, которая слились.Кодируя два регуляторных гена в последовательности, ученые создали периодическую скорость синтеза белка, которая спонтанно переключалась с периодов «включения» на «выключение». Продолжительность каждого периода определялась геометрией отсеков.
Такое периодическое поведение — примитивная версия событий клеточного цикла — возникло в системе, потому что синтезированные белки могли диффундировать из компартмента через капилляры, имитируя естественный обмен белков в живых клетках. В то же время свежие питательные вещества постоянно пополнялись, диффундируя в отсек и позволяя реакции синтеза белка продолжаться бесконечно. «Искусственная клеточная система, в которой мы можем контролировать генетический состав и время разведения белка, позволяет нам изучать взаимосвязь между дизайном генной сети и динамикой возникающих белков.
Это довольно сложно сделать в живой системе», — говорит Карцбрун. «Двухгенный паттерн, который мы разработали, является простым примером клеточной сети, но после доказательства концепции мы теперь можем перейти к более сложным генным сетям. Одна из целей состоит в том, чтобы в конечном итоге разработать содержание ДНК, подобное настоящему геному, которое может быть размещены в отсеках ".
Затем ученые спросили, действительно ли искусственные клетки общаются и взаимодействуют друг с другом, как настоящие клетки. Действительно, они обнаружили, что синтезированные белки, которые диффундируют через множество взаимосвязанных компартментов, способны регулировать гены и производить новые белки в компартментах дальше по сети. Фактически, эта система напоминает начальные стадии морфогенеза — биологический процесс, который управляет возникновением плана тела в эмбриональном развитии. «Мы заметили, что когда мы помещаем ген в компартмент на краю массива, он создает убывающий градиент концентрации белка; другие компартменты внутри массива могут воспринимать этот градиент и реагировать на него — аналогично тому, как градиенты концентрации морфогена распространяются через — клетки и ткани эмбриона на раннем этапе развития. Сейчас мы работаем над расширением системы и внедрением генных сетей, которые будут имитировать формирование паттернов, таких как полосатые паттерны, которые появляются во время эмбриогенеза мух », — объясняет Тайар.
С помощью системы искусственных клеток, согласно Бар-Зиву, в принципе можно кодировать что угодно: «Гены похожи на Lego, в котором вы можете смешивать и сопоставлять различные компоненты для получения различных результатов; вы можете взять регуляторный элемент из E. coli. который естественным образом контролирует ген X и производит известный белок; или вы можете взять тот же регуляторный элемент, но вместо этого соединить его с геном Y, чтобы получить другие функции, которые не встречаются в природе ». Это исследование может в будущем способствовать развитию синтеза таких вещей, как топливо, фармацевтические препараты, химические вещества и производство ферментов для промышленного использования, и это лишь некоторые из них.