Пока что синтетические биологические схемы могут воспринимать только несколько сигналов, что дает им неполную картину условий в клетке-хозяине. Они также состоят из нескольких движущихся частей в виде различных типов молекул, таких как ДНК, РНК и белки, которые должны находить, связываться и работать вместе, чтобы воспринимать и обрабатывать сигналы. Идентификация молекул, которые хорошо взаимодействуют друг с другом, затруднительна и делает разработку новых биологических цепей трудоемким и часто непредсказуемым процессом.Как сообщает Nature, команда из Гарвардского института биологической инженерии Wyss теперь представляет комплексное решение, которое наделяет молекулу рибонуклеиновой кислоты или РНК способностью воспринимать множественные сигналы и принимать логические решения по контролю производство протеина с высокой точностью.
Подход исследования привел к созданию генетически кодируемого наноустройства РНК, которое может выполнять беспрецедентную логическую операцию с 12 входами для точного регулирования экспрессии флуоресцентного репортерного белка в бактериях E. coli только при столкновении со сложным, заданным пользователем профилем внутри- клеточные раздражители. Такие программируемые наноустройства могут позволить исследователям создавать более сложные синтетические биологические схемы, позволяющие им эффективно анализировать сложные клеточные среды и точно реагировать на них.«Мы демонстрируем, что молекула РНК может быть преобразована в программируемое и логически действующее« рибокомпьютерное устройство », — сказал член основного факультета Института Висс Пэн Инь, доктор философии, который руководил исследованием, а также является профессором системной биологии в Гарвардской медицинской школе. «Этот прорыв на стыке нанотехнологий и синтетической биологии позволит нам разработать более надежные синтетические биологические схемы, которые гораздо лучше осознают влияние окружающей среды, имеющее отношение к конкретным целям».В исследовании группа Инь объединилась с членами и соавторами факультета Wyss Core Джеймсом Коллинзом, доктором философии, и Пэм Сильвер, доктором философии.
Коллинз также является профессором медицинской инженерии в Термире. Наук и профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института (MIT); и Сильвер — профессор биохимии и системной биологии Они Х. Адамс на факультете системной биологии Гарвардской медицинской школы.Подход команды развился из ее предыдущей разработки так называемых Toehold Switches, впервые опубликованных в 2014 году, которые представляют собой программируемые наноструктуры, похожие на шпильки, сделанные из РНК.
В принципе, переключатели опорной точки РНК могут управлять производством определенного белка: когда желаемая комплементарная «триггерная» РНК, которая может быть частью естественного репертуара РНК клетки, присутствует и связывается с переключателем опоры, структура шпильки разрывается. Только тогда рибосомы клетки получат доступ к РНК и произведут желаемый белок.«Мы хотели в полной мере использовать возможности программирования переключателей Toehold и найти разумный способ их использования для расширения возможностей принятия решений в живых клетках. Теперь с помощью Ribocomputing Devices мы можем связать производство белка с конкретными комбинациями множества различных входных РНК. и активируйте производство только тогда, когда это позволяют условия », — сказал соавтор и соавтор Александр Грин, доктор философии.
Грин разработал переключатели Toehold Switches с Инь и начал настоящее исследование в качестве научного сотрудника в команде Инь. Его также наставлял Коллинз, вместе с которым он помогал разрабатывать бумажные средства диагностики различных вирусов с использованием переключателей. Грин сейчас является доцентом Института биодизайна и Школы молекулярных наук в Университете штата Аризона, где он продолжал эксперименты со своим аспирантом и соавтором Дуо Ма.
«Как только мы разработали, как использовать переключатели Toehold и молекулы РНК для кодирования основных логических операций — И, ИЛИ и НЕ, мы смогли сконцентрировать эту функциональность в тщательно разработанной молекуле, которую мы называем воротной РНК. затворная РНК делает устройства Ribocomputing намного более компактными и помогает увеличивать масштабы цепей, чтобы клетки могли принимать более сложные решения », — добавил Грин.«Мы даже успешно развернули две независимые воротные РНК, экспрессирующие разные флуоресцентные белки в бактериальной клетке, открыв возможность создания нескольких воротных РНК для одновременной работы в одной и той же клетке с целью создания биосенсоров для всей клетки.
Кроме того, мы считаем, что «Проверенные и испытанные устройства Ribocomputing могут быть легко адаптированы к различным микроорганизмам», — сказал Джонмин Ким, доктор философии, соавтор исследования и научный сотрудник, работающий с Инь.Помимо использования в различных живых организмах, Ribocomputing Devices также может быть включен в бесклеточные приложения. «Эти логические РНК могут быть высушены сублимацией на бумаге и, таким образом, расширят возможности бумажных биологических схем, включая диагностику, которая может распознавать и интегрировать несколько сигналов, относящихся к заболеванию, в клиническом образце», — сказал Коллинз.«Изобретение вычислительных наноустройств, сделанных из живого материала в форме РНК, и концепция рибокомпьютинга, впервые предложенная Пэн Инь и его командой, значительно расширяет возможности, которые можно исследовать с помощью приложений синтетической биологии в живых клетках.
Эта область развивается быстрее и быстрее с каждым годом, и это представляет собой еще один шаг вперед ", — сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Программы биологии сосудов Детского центра Бостона. Госпиталь, а также профессором биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.