生物学家创建用于调整遗传电路的工具包

莱斯大学的科学家为合成生物学家创建了一个工具包,他们需要精确调整遗传电路的输入和输出水平。

“益生菌就是一个例子,”莱斯生物科学副教授,新研究的联合首席科学家马修贝内特说。“它们是对人类健康至关重要的有益肠道细菌,许多合成生物学家正在研究设计可以诊断或对抗疾病的益生菌的方法。这种工程化益生菌能够在人体内产生药物或其他复杂分子。对抗疾病,从癌症到炎症性肠病。“

在身体需要的时间和地点生产药物将为抗击疾病打开新的大门,但是,Bennett说,合成生物学家一直在努力设计出足够精确的药物输送电路。

“合成生物学家需要创造出能够根据环境因素打开或关闭的基因,”他说。“它们充当传感器,允许益生菌根据环境因素在需要时生产药物。”

使用细菌大肠杆菌,Bennett,研究生Ye Chen,博士后研究人员Joanne Ho和David Shis以及休斯顿大学的同事们,利用模块化分子构建模块创建了可以根据需要打开和关闭基因的启动子。

虽然遗传电路在某些方面类似于电路,但用于打开和关闭它们的开关要复杂得多。基因本身不能制造它们编码的蛋白质。相反,专门的酶根据他们阅读的内容读取基因并消除蛋白质。基因启动子是这一过程的另一个专家。

“一位发起人驾驶一种基因,”贝内特说。“它启动解码并确定何时打开或关闭基因。

“合成生物学家一直在设计促进剂区域来应对不同的化学信号,但我们一直坚持大自然赋予我们的东西,”他说。“当在合成基因回路中使用时,对化学物质起反应的天然存在的启动子可能表现不佳。它可能不会像我们希望的那样开启或关闭目标基因。如果细菌想要感知特定的化学物质,它会以它需要的方式打开或关闭一个基因。它可能会稍微转一下它,或者可能会把它转过来。我们之前没有太多控制权。“

此外,Bennett说,许多发起人都是“漏水”的,即使他们转换一个基因,它仍会产生少量蛋白质。

“有一些进化原因可以解释为什么在自然界中会出现泄漏,但是当你设计一个电路时,你需要更高的精度,”他说。

启动子是DNA区域,是部分地址线和部分说明手册。他们不仅告诉转录蛋白从何处开始阅读基因,而且还可以调节基因的开启程度 - 无论是产生多少还是少量蛋白质。使用模块化方法,Bennett的团队开发了一种设计方案,用于创建根据需要开启的非泄漏启动器。

休斯顿大学的数学家Kresimir Josic,Chinmaya Gupta和William Ott计算了每个构建块所需的一些特定属性,并与在大肠杆菌中设计,创建和测试它们的Rice团队成员合作。将各种块混合并匹配以形成启动子库,每个启动子被设计成以特定方式与一种或多种化学输入反应。

例如,在遗传回路中,可以编程一个基因以在其接收特定提示时接通,并且该基因的产物可以是小分子蛋白质,其反过来激活或关闭另一个基因。通过将整组这些基因串联在一起,合成生物学家可以构建复杂的电路。

“这种能力是构建需要精确输入和输出关系的合成基因调控电路的关键,”Bennett及其同事在他们的Nature Communications论文中写道。“本文提供了一种简单,具有成本效益的工程启动子方法,可提供用户定义的动态范围,从而可以微调活细胞内合成生物和化学回路中的代谢通量。”

贝内特说,该项目的另一个关键要素是设计启动器,只有在有两个或更多提示的情况下才能激活。

“大自然只给我们提供了一些使用多个输入的启动子的例子,因此设计非漏,易于使用的多输入启动子对我们来说是一个高优先级,”他说。