Синтетический биологический контур - Synthetic biological circuit

Часть серии статей о
Синтетическая биология
Синтетические биологические схемы
Редактирование генома
Искусственные клетки
Ксенобиология
Другие темы
В лак оперон - это естественная биологическая цепь, на которой основаны многие синтетические цепи. Вверху: репрессированные, внизу: активные.
1: РНК-полимераза, 2: Репрессор, 3: Промоутер, 4: Оператор, 5: Лактоза, 6: lacZ, 7: лысый, 8: lacA.

Синтетические биологические схемы являются приложением синтетическая биология где биологические части внутри клетка предназначены для выполнения логических функций, имитирующих те, которые наблюдаются в электронные схемы. Области применения варьируются от простого стимулирования производства до добавления измеримого элемента, например GFP к существующей естественный биологический контур, к внедрению совершенно новых систем из многих частей.[1]

А рибосома это биологическая машина.

Целью синтетической биологии является создание множества настраиваемых и характеризуемых частей или модулей, с помощью которых можно легко спроектировать и реализовать любую желаемую синтетическую биологическую схему.[2] Эти цепи могут служить методом модификации клеточных функций, создания клеточных реакций на условия окружающей среды или влияния на развитие клеток. Внедряя рациональные и управляемые логические элементы в клеточные системы, исследователи могут использовать живые системы как спроектированные »биологические машины «для выполнения широкого спектра полезных функций.[1]

История

Первой детально изученной цепью естественных генов была лак оперон. В исследованиях диауксический рост из Кишечная палочка на двухсахарной среде, Жак Моно и Франсуа Жакоб обнаружил, что Кишечная палочка предпочтительно потребляет более легко обрабатываемые глюкоза перед переключением на лактоза метаболизм. Они обнаружили, что механизм, который контролирует метаболическую функцию «переключения», состоит из двух частей, регулирующих lac-оперон. Когда в клетке присутствует лактоза, фермент β-галактозидаза производится для превращения лактозы в глюкоза или же галактоза. Когда в клетке отсутствует лактоза, lac-репрессор подавляет выработку фермента β-галактозидазы, предотвращая любые неэффективные процессы в клетке.

Оперон lac используется в биотехнология промышленность по производству рекомбинантный белки для терапевтического использования. Ген или гены для производства экзогенный белок помещают на плазмида под контролем промотора lac. Первоначально клетки выращивают в среде, не содержащей лактозы или других сахаров, поэтому новые гены не экспрессируются. Как только клетки достигают определенной точки роста, Изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (IPTG) добавлен. IPTG, молекула, похожая на лактозу, но с серной связью, которая не гидролизуется, так что кишечная палочка не переваривает ее, используется для активации или "побудить «производство нового белка. После того, как клетки индуцированы, трудно удалить IPTG из клеток, и поэтому трудно остановить экспрессию.

Два первых примера синтетических биологических схем были опубликованы в Природа в 2000 году. Один, Тим Гарднер, Чарльз Кантор и Джим Коллинз работая в Бостонский университет, продемонстрировал «бистабильный» переключатель в Кишечная палочка. Переключатель включается путем нагревания культуры бактерий и выключается путем добавления IPTG. Они использовали GFP в качестве репортера для своей системы.[3] Второй, автор Майкл Эловиц и Станислас Лейблер, показали, что три гена-репрессора могут быть связаны с образованием петли отрицательной обратной связи, названной Репрессилятор который вызывает самоподдерживающиеся колебания уровня белка в E. coli.[4]

В настоящее время синтетические схемы являются растущей областью исследований в системная биология с каждым годом все больше публикаций, подробно описывающих синтетические биологические схемы.[5] Был проявлен значительный интерес к поощрению образования и информирования: Международный конкурс генно-инженерных машин[6] управляет созданием и стандартизацией BioBrick детали как средство, позволяющее студентам и старшеклассникам разрабатывать свои собственные синтетические биологические схемы.

Интерес и цели

Существуют как краткосрочные, так и долгосрочные приложения для использования синтетических биологических цепей, включая различные приложения для метаболическая инженерия, и синтетическая биология. К числу успешно продемонстрированных относятся фармацевтическая продукция,[7] и производство топлива.[8] Однако методы, включающие прямое генетическое введение, по своей сути неэффективны без использования основных принципов синтетических клеточных цепей. Например, каждая из этих успешных систем использует метод введения индукции или выражения по принципу «все или ничего». Это биологическая схема, в которой простой репрессор или же промоутер вводится для облегчения создания продукта или подавления конкурирующего пути. Однако из-за ограниченного понимания сотовых сетей и естественных схем реализация более надежных схем с более точным управлением и обратной связью затруднена. В этом заключается непосредственный интерес к синтетическим клеточным цепям.

Развитие понимания клеточной схемы может привести к новым захватывающим модификациям, например, к клеткам, которые могут реагировать на раздражители окружающей среды. Например, могут быть разработаны клетки, которые сигнализируют о токсическом окружении и реагируют, активируя пути, используемые для разложения воспринимаемого токсина.[9] Чтобы создать такую ​​клетку, необходимо создать сложную синтетическую клеточную цепь, которая сможет соответствующим образом реагировать на данный стимул.

Учитывая, что синтетические клеточные цепи представляют собой форму контроля клеточной активности, можно предположить, что при полном понимании клеточных путей «подключи и работай»[1] могут быть созданы клетки с четко определенной генетической схемой. Широко распространено мнение, что при создании надлежащего инструментария деталей[10] синтетические клетки могут быть разработаны с использованием только путей, необходимых для выживания и воспроизводства клеток. Из этой ячейки следует рассматривать как минимальную геном ячейки, можно добавлять части из набора инструментов, чтобы создать четко определенный путь с соответствующей синтетической схемой для эффективной системы обратной связи. Благодаря базовому методу конструирования с нуля и предлагаемой базе данных отображаемых элементов схемы, методы, отражающие те, которые используются для моделирования компьютерных или электронных схем, могут использоваться для перепроектирования ячеек и моделирования ячеек для облегчения поиска и устранения неисправностей и прогнозирования поведения и урожайности.

Примеры схем

Осцилляторы

  1. Репрессилятор
  2. Настраиваемый синтетический осциллятор для млекопитающих
  3. Бактериальный перестраиваемый синтетический осциллятор
  4. Сопряженный бактериальный осциллятор
  5. Глобально связанный бактериальный осциллятор

Elowitz et al. и Fung et al. создали колебательные контуры, которые используют несколько саморегулирующихся механизмов для создания зависящих от времени колебаний экспрессии генных продуктов.[11][12]

Бистабильные переключатели

  1. Переключить переключатель

Gardner et al. использовали взаимное подавление между двумя блоками управления, чтобы создать тумблер, способный управлять клетками бистабильным образом: переходные стимулы, приводящие к устойчивым ответам[3].

Логические операторы

Логический И ворота.[13][14] Если сигнал А И Сигнал B присутствует, тогда будет получен желаемый генный продукт. Все показанные промоторы являются индуцибельными, активируются отображаемым генным продуктом. Каждый сигнал активирует экспрессию отдельного гена (показан голубым). Затем экспрессированные белки могут образовывать полный комплекс в цитозоль, который способен активировать экспрессию выходного продукта (показано) или может действовать отдельно для индукции экспрессии, например, отдельно удаляя ингибирующий белок и индуцируя активацию неингибированного промотора.
Логический ИЛИ ворота.[13][14] Если сигнал А ИЛИ ЖЕ Сигнал B присутствует, тогда будет получен желаемый генный продукт. Все показанные промоторы индуцируются. Любой из сигналов способен активировать экспрессию выходящего генного продукта, и для экспрессии гена требуется действие только одного промотора. Механизмы посттранскрипционной регуляции могут предотвратить присутствие обоих входов, дающих комбинированный высокий выход, например, реализацию низкой аффинности связывания сайт связывания рибосомы.
Логический Отрицательные ворота И.[13][14] Если сигнал А И Сигнал B присутствует, тогда желаемый генный продукт будет НЕТ результат. Все показанные промоторы индуцируются. Активирующий промотор для выходного гена является конститутивным и поэтому не показан. Конститутивный промотор для выходного гена сохраняет его «включенным» и деактивируется только тогда, когда (аналогично логическому элементу И) комплекс в результате двух генных продуктов входного сигнала блокирует экспрессию выходного гена.

Аналоговые тюнеры

Используя отрицательную обратную связь и идентичные промоторы, генные цепи линеаризатора могут обеспечивать однородную экспрессию гена, которая линейно зависит от концентрации внеклеточного химического индуктора.[15]

Контроллеры гетерогенности экспрессии генов

Цепи синтетических генов могут контролировать гетерогенность экспрессии генов, можно контролировать независимо от среднего значения экспрессии гена.[16]

Прочие инженерные системы

Инженерные системы являются результатом реализации комбинации различных механизмов управления. Ограниченный механизм подсчета был реализован с помощью генного каскада с импульсным управлением.[17] а применение логических элементов делает возможным генетическое «программирование» клеток, как в исследовании Табора и др., которые синтезировали программу обнаружения краев светочувствительных бактерий.[18]

Схемотехника

Вычислительный дизайн и оценка цепей ДНК для достижения оптимальной производительности

Последние события в искусственный синтез генов и соответствующее усиление конкуренции в отрасли привело к значительному снижению цены и времени ожидания синтеза генов и помогло улучшить методы, используемые при проектировании схем.[19] В настоящее время схемотехника улучшается медленными темпами из-за недостаточной организации известных взаимодействий нескольких генов и математических моделей. Эта проблема решается путем применения программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР) для предоставления мультимедийных представлений схем через изображения, текст и язык программирования, применяемые к биологическим схемам.[20] Некоторые из наиболее известных программ САПР включают GenoCAD, Clotho framework и j5.[21][22][23] GenoCAD использует грамматики, которые представляют собой «правила» с открытым исходным кодом или созданные пользователем, которые включают доступные гены и известные взаимодействия генов для клонирующих организмов. Фреймворк Clotho использует Стандарт биокирпича правила.[20]

Рекомендации

  1. ^ а б c Кобаяши, H .; Kærn, M .; Araki, M .; Chung, K .; Gardner, T. S .; Cantor, C. R .; Коллинз, Дж. Дж. (2004). «Программируемые клетки: взаимодействие естественных и сконструированных генных сетей». PNAS. 101 (22): 8414–8419. Bibcode:2004ПНАС..101.8414К. Дои:10.1073 / pnas.0402940101. ЧВК  420408. PMID  15159530.
  2. ^ «Синтетическая биология: FAQ». SyntheticBiology.org. Архивировано из оригинал 12 декабря 2002 г.. Получено 21 декабря 2011.
  3. ^ а б Гарднер, Т.С., Кантор, К.Р., Коллинз, Дж. Конструирование генетического тумблера для Escherichia coli. Природа 403, 339-342 (20 января 2000 г.).
  4. ^ Станислас Лейблер; Elowitz, Майкл Б. (январь 2000 г.). «Синтетическая колебательная сеть регуляторов транскрипции». Природа. 403 (6767): 335–338. Bibcode:2000Натура.403..335E. Дои:10.1038/35002125. ISSN  1476-4687. PMID  10659856. S2CID  41632754.
  5. ^ Purnick, Priscilla E.M .; Вайс, Рон (2009). «Вторая волна синтетической биологии: от модулей к системам». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 10 (6): 410–422. Дои:10.1038 / nrm2698. PMID  19461664. S2CID  200495.
  6. ^ Международные генно-инженерные машины (iGem) http://igem.org/Main_Page
  7. ^ Ro, D.-K .; Paradise, E.M .; Ouellet, M .; Фишер, К.Дж .; Newman, K.L .; Ndungu, J.M .; Ho, K.A .; Eachus, R.A .; Ham, T.S .; Кирби, Дж .; Чанг, M.C.Y .; Холка, S.T .; Shiba, Y .; Sarpong, R .; Кислинг, Дж. Д. (2006). «Производство противомалярийного препарата-предшественника артемизиновой кислоты в модифицированных дрожжах». Природа. 440 (7086): 940–943. Bibcode:2006Натура.440..940р. Дои:10.1038 / природа04640. PMID  16612385. S2CID  3199654.
  8. ^ Fortman, J.L .; Chhabra, S .; Mukhopadhyay, A .; Chou, H .; Ли, Т.С.; Steen, E .; Кислинг, Дж. Д. (2008). «Биотопливо, альтернативное этанолу: прокачка микробной скважины». Тенденции биотехнологии. 26 (7): 375–381. Дои:10.1016 / j.tibtech.2008.03.008. PMID  18471913.
  9. ^ Кислинг, Дж. Д. (2008). «Синтетическая биология для синтетической химии». ACS Chem Biol. 3 (1): 64–76. Дои:10.1021 / cb7002434. PMID  18205292.
  10. ^ Удача, Юлиус Б; Ци, Лей; Whitaker, Weston R; Аркин, Адам П. (2008). «К масштабируемым семействам деталей для предсказуемого проектирования биологических схем». Текущее мнение в микробиологии. 11 (6): 567–573. Дои:10.1016 / j.mib.2008.10.002. PMID  18983935.
  11. ^ Elowitz, M.B .; Лейблер, С. (2000). «Синтетическая колебательная сеть регуляторов транскрипции». Природа. 403 (6767): 335–338. Bibcode:2000Натура.403..335E. Дои:10.1038/35002125. PMID  10659856. S2CID  41632754.
  12. ^ Fung, E .; Wong, W.W .; Suen, J.K .; Bulter, T .; Lee, S .; Ляо, J.C. (2005). «Синтетический ген-метаболический осциллятор». Природа. 435 (7038): 118–122. Bibcode:2005Натура.435..118F. Дои:10.1038 / природа03508. PMID  15875027. S2CID  414371.
  13. ^ а б c Silva-Rocha, R .; де Лоренцо, В. (2008). «Майнинг логических ворот в прокариотических сетях регуляции транскрипции». Письма FEBS. 582 (8): 1237–1244. Дои:10.1016 / j.febslet.2008.01.060. PMID  18275855. S2CID  45553956.
  14. ^ а б c Buchler, N.E .; Gerland, U .; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции». PNAS. 100 (9): 5136–5141. Bibcode:2003ПНАС..100.5136Б. Дои:10.1073 / pnas.0930314100. ЧВК  404558. PMID  12702751.
  15. ^ Невожай Д., Адамс Р.М., Мерфи К.Ф., Йосич К., Балажи Г. (31 марта 2009 г.). «Отрицательная ауторегуляция линеаризует реакцию на дозу и подавляет гетерогенность экспрессии генов». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 106 (13): 5123–8. Bibcode:2009ПНАС..106.5123Н. Дои:10.1073 / pnas.0809901106. ЧВК  2654390. PMID  19279212.
  16. ^ Блейк В.Дж., Балажи Г., Кохански М.А., Айзекс Ф.Дж., Мерфи К.Ф., Куанг Ю., Кантор С.Р., Уолт Д.Р., Коллинз Дж.Дж. (28 декабря 2006 г.). «Фенотипические последствия опосредованного промотором транскрипционного шума». Molec. Клетка. 24 (6): 853–65. Дои:10.1016 / j.molcel.2006.11.003. PMID  17189188.
  17. ^ Friedland, A.E .; Лу, Т.К .; Ван, X .; Ши, Д .; Церковь, G .; Коллинз, Дж. Дж. (2009). «Синтетические генные сети, которые имеют значение». Наука. 324 (5931): 1199–1202. Bibcode:2009Научный ... 324.1199F. Дои:10.1126 / science.1172005. ЧВК  2690711. PMID  19478183.
  18. ^ Tabor, J.J .; Salis, H.M .; Simpson, Z.B .; Chevalier, A.A .; Левская, А .; Marcotte, E.M .; Voigt, CA; Эллингтон, А. Д. (2009). «Программа обнаружения синтетических краев». Клетка. 137 (7): 1272–1281. Дои:10.1016 / j.cell.2009.04.048. ЧВК  2775486. PMID  19563759.
  19. ^ Cheng, Allen A .; Лу, Тимоти К. (01.01.2012). «Синтетическая биология: новая инженерная дисциплина». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии. 14 (1): 155–178. Дои:10.1146 / annurev-bioeng-071811-150118. PMID  22577777. S2CID  7319630.
  20. ^ а б Люкс, Мэтью В .; Брамлетт, Брайан У .; Болл, Дэвид А .; Пекко, Жан (февраль 2012 г.). "Автоматизация генетического дизайна: инженерная фантазия или научное обновление?". Тенденции в биотехнологии. 30 (4): 120–126. Дои:10.1016 / j.tibtech.2011.01.001. ЧВК  3073767. PMID  21310501.
  21. ^ «GenoCAD: САПР для синтетической биологии». www.genocad.com. Получено 2015-10-21.
  22. ^ "Клото". www.clothocad.org. Получено 2015-10-21.
  23. ^ «J5». j5.jbei.org. Получено 2015-10-21.

внешняя ссылка