Gli scienziati della Rice University hanno creato un kit di strumenti per i biologi sintetici che hanno bisogno di regolare con precisione i livelli di input e output dei circuiti genetici.

La ricerca, che è online su Nature Communications, è una manna per gli scienziati della vita che progettano sistematicamente batteri e altri organismi per svolgere compiti che naturalmente non farebbero.

"I probiotici sono un esempio, "ha detto Matthew Bennett, professore associato di bioscienze alla Rice e co-responsabile del nuovo studio. "Sono batteri intestinali benefici che sono essenziali per la salute umana, e molti biologi sintetici stanno cercando modi per progettare probiotici in grado di diagnosticare o combattere le malattie. Tali probiotici ingegnerizzati sarebbero in grado di produrre farmaci o altre molecole complesse all'interno del corpo umano per combattere malattie che vanno dal cancro alle malattie infiammatorie intestinali".

La produzione di farmaci quando e dove sono necessari nel corpo aprirebbe nuove porte per combattere le malattie, ma, Bennet ha detto, i biologi sintetici hanno lottato per progettare circuiti sufficientemente precisi per la somministrazione di farmaci.

"I biologi sintetici devono creare geni che si accendono o si spengono in risposta a segnali ambientali, " ha detto. "Questi agiscono come sensori, permettendo al probiotico di produrre il farmaco quando è necessario in base a segnali ambientali".

Utilizzando i batteri Escherichia coli, Bennet, studente laureato Ye Chen, ricercatori post-dottorato Joanne Ho e David Shis e colleghi dell'Università di Houston, ha impiegato blocchi molecolari modulari per creare promotori che attivano e disattivano i geni quanto necessario.

Mentre i circuiti genetici sono come circuiti elettrici in qualche modo, gli interruttori per accenderli e spegnerli sono molto più complicati. Da soli, i geni non possono produrre le proteine ​​che codificano. Anziché, enzimi specializzati leggono i geni e eliminano le proteine ​​in base a ciò che leggono. I promotori genici sono un altro specialista in questo processo.

"Un promotore guida un gene, " Ha detto Bennett. "Avvia la decodifica e determina quando il gene viene attivato o disattivato.

"I biologi sintetici hanno ingegnerizzato regioni promotrici per rispondere a diversi segnali chimici, ma siamo rimasti bloccati con ciò che la natura ci ha dato, " ha detto. "Un promotore naturale che risponde a una sostanza chimica potrebbe non comportarsi bene se utilizzato in un circuito di geni sintetici. Potrebbe non attivare o disattivare il gene bersaglio quanto vorremmo. Se un batterio vuole percepire un particolare segnale chimico, attiverà o disattiverà un gene nel modo in cui è necessario. Potrebbe accenderlo un po', o potrebbe accenderlo molto. Non avevamo molto controllo su questo prima".

Inoltre, Bennet ha detto, molti promotori sono "leaky" nel senso che anche quando disattivano un gene, questo produce comunque piccole quantità di proteine.

"Ci sono ragioni evolutive per cui la leakiness può insorgere in natura, ma quando stai progettando un circuito, hai bisogno di più precisione, " Egli ha detto.

I promotori sono regioni del DNA che sono in parte riga di indirizzo e in parte manuale di istruzioni. Non solo dicono alle proteine ​​di trascrizione dove iniziare a leggere un gene, ma regolano anche la forza con cui il gene viene attivato, se produce molte o poche proteine. Utilizzando un approccio modulare, Il team di Bennett ha sviluppato uno schema di progettazione per la creazione di promotori senza perdite che si attivano quanto necessario.

I matematici dell'Università di Houston Krešimir Josić, Chinmaya Gupta e William Ott hanno calcolato alcune delle proprietà specifiche che sarebbero necessarie per ogni elemento costitutivo e hanno lavorato con i membri del team di Rice che hanno progettato, li ha creati e testati in E. coli. Vari blocchi sono stati mescolati e abbinati per formare una libreria di promotori, ognuno dei quali è stato progettato per reagire in modo specifico a uno o più input chimici.

Per esempio, in un circuito genetico, un gene può essere programmato per attivarsi quando riceve un segnale specifico, e il prodotto di quel gene può essere una piccola molecola proteica che a sua volta attiva o disattiva un altro gene. Mettendo insieme interi gruppi di questi geni, i biologi sintetici possono costruire circuiti complessi.

"Questa capacità è la chiave per costruire circuiti regolatori di geni sintetici che richiedono precise relazioni di input e output, " Bennett e colleghi hanno scritto nel loro articolo su Nature Communications. "Questo documento fornisce un semplice, mezzi economici di promotori di ingegneria che forniscono intervalli dinamici definiti dall'utente, che consentirà la messa a punto del flusso metabolico all'interno dei circuiti sintetici biologici e chimici all'interno delle cellule viventi".

Bennett ha affermato che un altro elemento chiave del progetto era la progettazione di promotori che potessero essere attivati ​​solo in presenza di due o più segnali.

"La natura ci fornisce solo alcuni esempi di promotori che utilizzano più input, così progettando senza perdite, promotori multi-input di facile utilizzo era una priorità per noi, " Egli ha detto.