Модель формирования полос под французским флагом — это классическая парадигма в биологии развития. Дифференциация клеток, представленная разными цветами французского флага, вызывается градиентом сигнальной молекулы (морфогена); т.е. при высоких, средних или низких концентрациях морфогена активируется «синяя», «белая» или «красная» полоса гена соответственно. Как клеточные регуляторные сети генов (GRN) реагируют на морфоген в зависимости от концентрации, является ключевым вопросом биологии развития. Синтетическая биология — это новый многообещающий инструмент для изучения функций и свойств сетей регуляции генов (GRN) путем их построения из первых принципов.
В этом исследовании были разработаны методы синтетической биологии для построения некоторых фундаментальных механизмов формирования полос.В предыдущих исследованиях генные цепи с предопределенным поведением были успешно построены и смоделированы, но в основном на индивидуальной основе.
В этом исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи из подразделения исследований системной биологии EMBL / CRG в CRG вышли за рамки отдельных сетей и исследовали как вычислительные, так и синтетические механизмы для полного набора трехузловых полосообразующих сетей в Escherichia coli. Подход сочетал в себе экспериментальную синтетическую биологию под руководством Марка Исалана, ныне читающего в области инженерии генных сетей на факультете наук о жизни Имперского колледжа Лондона, с компьютерным моделированием под руководством Джеймса Шарпа, профессора-исследователя ICREA и руководителя лаборатории биологии многоклеточных систем в CRG.«Мы провели очень новаторское и амбициозное исследование: мы применили трехэтапный подход для эффективного исследования и создания успешных синтетических генных цепей.
Мы создали теоретическую основу для исчерпывающего изучения GRN» — было создано 100 000 версий более 2800 сетей. смоделировано на компьютере. Затем мы успешно разработали синтетическую систему сетевой инженерии и, наконец, подтвердили все новые экспериментальные данные, подогнав их к единой математической модели », — объясняет соответствующий автор Джеймс Шарп.
Во-первых, Андреа Мунтяну, соавтор исследования, выполнила теоретический скрининг для поиска всех классов дизайна, которые обеспечивают желаемое поведение (формирование полос в градиенте морфогенов). На этом этапе она обнаружила четыре принципиально разных механизма формирования полосы.
Затем Иоланда Шаэрли, первый автор исследования, успешно продемонстрировала функциональность этих четырех сетей, построив их в бактериях E. coli с использованием инструментов синтетической биологии. Третий шаг заключался в проверке отдельных механизмов путем подгонки всех экспериментальных данных к математической модели.
Успех этой процедуры позволил исследователям сделать еще один шаг и найти более глубокий принцип построения полос. Они определили более простую сеть из 2 узлов, в которой ген полосы напрямую контролируется как активацией, так и репрессией со стороны гена датчика морфогена, которая воспроизводит способность формирования полосы в ее простейшей форме. Им удалось построить этот архетип полосообразующих сетей и в конце концов обнаружили, что он может даже демонстрировать фенотип «против полосок» (рис. 2).
«Сочетание исчерпывающего вычислительного моделирования с синтетической биологией более эффективно и мощно, чем построение сетей по очереди», — говорит автор-корреспондент Марк Исалан. «Наш подход дает новый и эффективный рецепт синтетической биологии — новой научной дисциплины, которая направлена на создание всех видов полезных биологических систем».