Syntetyczny obwód biologiczny - Synthetic biological circuit
| Część serii artykułów na temat |
| Biologia syntetyczna |
|---|
| Syntetyczne obwody biologiczne |
| Edycja genomu |
| Sztuczne komórki |
| Ksenobiologia |
| Inne tematy |
Syntetyczne obwody biologiczne są zastosowaniem biologii syntetycznej , w której części biologiczne wewnątrz komórki są zaprojektowane do wykonywania funkcji logicznych naśladujących te obserwowane w obwodach elektronicznych . Zastosowania sięgają od prostego wywołania produkcji, poprzez dodanie mierzalnego elementu, takiego jak GFP , do istniejącego naturalnego obwodu biologicznego , po wdrażanie całkowicie nowych systemów wielu części.
Celem biologii syntetycznej jest wygenerowanie szeregu przestrajalnych i scharakteryzowanych części lub modułów, za pomocą których można łatwo zaprojektować i wdrożyć dowolny pożądany obwód biologii syntetycznej. Obwody te mogą służyć jako metoda modyfikowania funkcji komórkowych, tworzenia odpowiedzi komórkowych na warunki środowiskowe lub wpływania na rozwój komórkowy. Wdrażając racjonalne, sterowalne elementy logiczne w systemach komórkowych, naukowcy mogą wykorzystywać żywe systemy jako skonstruowane „ maszyny biologiczne ” do wykonywania szerokiego zakresu użytecznych funkcji.
Historia
Pierwszym szczegółowo zbadanym naturalnym obwodem genów był operon lac . W badaniach diauxic wzrostu z E. coli na nośniku dwóch cukru Jacques Monod i Francois Jacob odkryto, że E.coli korzystnie zużywa znacznie łatwiej obrabianymi glukozy przed przejściem do laktozy metabolizmu. Odkryli, że mechanizm kontrolujący funkcję „przełączania” metabolicznego był dwuczęściowym mechanizmem kontrolnym operonu lac. Gdy laktoza jest obecna w komórce, wytwarzany jest enzym β-galaktozydaza, który przekształca laktozę w glukozę lub galaktozę . Gdy laktoza jest nieobecna w komórce, represor lac hamuje wytwarzanie enzymu β-galaktozydazy, aby zapobiec wszelkim nieefektywnym procesom w komórce.
Operon lac jest wykorzystywany w przemyśle biotechnologicznym do produkcji białek rekombinowanych do użytku terapeutycznego. Gen lub geny do wytwarzania egzogennego białka umieszcza się na plazmidzie pod kontrolą promotora lac. Początkowo komórki hoduje się na pożywce, która nie zawiera laktozy ani innych cukrów, więc nowe geny nie ulegają ekspresji. Gdy komórki osiągną pewien punkt wzrostu, dodaje się izopropylo β-D-1-tiogalaktopiranozyd (IPTG) . IPTG, cząsteczka podobna do laktozy, ale z wiązaniem siarkowym, które nie ulega hydrolizie, tak że E. coli jej nie trawi, służy do aktywacji lub „ indukcji ” produkcji nowego białka. Po indukcji komórek trudno jest usunąć IPTG z komórek i dlatego trudno jest zatrzymać ekspresję.
Dwa wczesne przykłady syntetycznych obwodów biologicznych zostały opublikowane w Nature w 2000 roku. Jeden, autorstwa Tima Gardnera, Charlesa Cantora i Jima Collinsa pracujących na Uniwersytecie Bostońskim , zademonstrował "bistabilny" przełącznik w E. coli . Przełącznik włącza się przez podgrzanie kultury bakterii i wyłącza przez dodanie IPTG. Wykorzystali GFP jako reporter swojego systemu. Druga, autorstwa Michaela Elowitza i Stanislasa Leiblera , wykazała, że trzy geny represorowe mogą być połączone, tworząc pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego zwaną Repressilator, która wytwarza samopodtrzymujące się wahania poziomu białka w E. coli.
Obecnie obwody syntetyczne są rozwijającym się obszarem badań w biologii systemów, a każdego roku publikowanych jest coraz więcej publikacji opisujących syntetyczne obwody biologiczne. Odnotowano również duże zainteresowanie zachęcaniem do edukacji i popularyzacji: Międzynarodowy Konkurs Maszyn Inżynierii Genetycznej zarządza tworzeniem i standaryzacją części BioBrick, aby umożliwić studentom studiów licencjackich i licealnych projektowanie własnych syntetycznych obwodów biologicznych.
Zainteresowanie i cele
Istnieją zarówno natychmiastowe, jak i długoterminowe zastosowania syntetycznych obwodów biologicznych, w tym różne zastosowania w inżynierii metabolicznej i biologii syntetycznej . Zademonstrowane z powodzeniem obejmują produkcję farmaceutyczną i produkcję paliw. Jednak metody polegające na bezpośrednim wprowadzeniu genetycznym nie są z natury skuteczne bez odwoływania się do podstawowych zasad syntetycznych obwodów komórkowych. Na przykład każdy z tych udanych systemów wykorzystuje metodę wprowadzania indukcji lub ekspresji typu „wszystko albo nic”. Jest to obwód biologiczny, do którego wprowadza się prosty represor lub promotor, aby ułatwić tworzenie produktu lub hamowanie konkurencyjnego szlaku. Jednak przy ograniczonym zrozumieniu sieci komórkowych i obwodów naturalnych wdrożenie bardziej niezawodnych schematów z bardziej precyzyjną kontrolą i sprzężeniem zwrotnym jest utrudnione. Na tym polega bezpośrednie zainteresowanie syntetycznymi obwodami komórkowymi.
Rozwój w zrozumieniu obwodów komórkowych może prowadzić do ekscytujących nowych modyfikacji, takich jak komórki, które mogą reagować na bodźce środowiskowe. Na przykład można opracować komórki, które sygnalizują toksyczne otoczenie i reagują poprzez aktywację szlaków wykorzystywanych do degradacji postrzeganej toksyny. Do rozwoju takiej komórki konieczne jest stworzenie złożonego syntetycznego obwodu komórkowego, który potrafi odpowiednio reagować na dany bodziec.
Biorąc pod uwagę, że syntetyczne obwody komórkowe stanowią formę kontroli aktywności komórkowej, można wnioskować, że przy pełnym zrozumieniu szlaków komórkowych można skonstruować komórki „plug and play” z dobrze zdefiniowanymi obwodami genetycznymi. Powszechnie uważa się, że jeśli zostanie wygenerowany odpowiedni zestaw części, można opracować komórki syntetyczne, realizujące tylko ścieżki niezbędne do reprodukcji przeżycia komórki. Z tej komórki, która ma być uważana za komórkę o minimalnym genomie , można dodać elementy z zestawu narzędzi, aby stworzyć dobrze zdefiniowaną ścieżkę z odpowiednim obwodem syntetycznym dla skutecznego systemu sprzężenia zwrotnego. Ze względu na podstawową metodę budowy od podstaw i proponowaną bazę danych zmapowanych elementów obwodów, techniki odzwierciedlające te stosowane do modelowania obwodów komputerowych lub elektronicznych można wykorzystać do przeprojektowania komórek i modeli komórek w celu łatwego rozwiązywania problemów oraz przewidywania zachowania i wydajności.
Przykładowe obwody
Oscylatory
- Represylator
- Przestrajalny syntetyczny oscylator ssaków
- Przestrajalny syntetyczny oscylator bakteryjny
- Połączony oscylator bakteryjny
- Globalnie sprzężony oscylator bakteryjny
Elowitz i in. oraz Fung i in. utworzyli obwody oscylacyjne, które wykorzystują wiele mechanizmów samoregulacji w celu wytworzenia zależnej od czasu oscylacji ekspresji produktu genów.
Przełączniki bistabilne
- Przełącznik
Gardner i in. wykorzystał wzajemne tłumienie między dwiema jednostkami sterującymi, aby stworzyć implementację przełącznika dwustabilnego zdolnego do kontrolowania komórek w sposób bistabilny: bodźce przejściowe skutkujące trwałymi reakcjami.
Operatory logiczne
Tunery analogowe
Wykorzystując ujemne sprzężenie zwrotne i identyczne promotory, obwody genów linearyzujących mogą narzucać jednolitą ekspresję genów, która zależy liniowo od stężenia pozakomórkowych induktorów chemicznych.
Kontrolery heterogeniczności ekspresji genów
Syntetyczne obwody genów mogą kontrolować heterogeniczność ekspresji genów, które można kontrolować niezależnie od średniej ekspresji genów.
Inne systemy inżynieryjne
Systemy inżynieryjne są wynikiem implementacji kombinacji różnych mechanizmów sterowania. Ograniczony mechanizm zliczania został wdrożony przez sterowaną impulsowo kaskadę genów, a zastosowanie elementów logicznych umożliwia genetyczne „programowanie” komórek, jak w badaniach Tabora i wsp., którzy zsyntetyzowali program do wykrywania krawędzi bakterii światłoczułych.
Projekt obwodu
Ostatnie postępy w sztucznej syntezie genów i odpowiadający im wzrost konkurencji w branży doprowadziły do znacznego spadku ceny i czasu oczekiwania na syntezę genów oraz pomogły ulepszyć metody stosowane w projektowaniu obwodów. Obecnie projektowanie obwodów rozwija się w wolnym tempie z powodu niewystarczającej organizacji znanych interakcji wielu genów i modeli matematycznych. Rozwiązanie tego problemu polega na zastosowaniu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) w celu zapewnienia multimedialnych reprezentacji obwodów za pomocą obrazów, tekstu i języka programowania stosowanego w obwodach biologicznych. Niektóre z bardziej znanych programów CAD to GenoCAD, Clotho framework i j5. GenoCAD wykorzystuje gramatyki, które są albo otwarte, albo "reguły" generowane przez użytkownika, które obejmują dostępne geny i znane interakcje genów dla organizmów klonujących. Framework Clotho wykorzystuje standardowe zasady Biobrick .