Le recenti scoperte di due gruppi di ricerca della Ira A. Fulton Schools of Engineering dell'Arizona State University stanno facendo avanzare il campo della biologia sintetica.

L'assistente professore Xiaojun Tian e il professore associato Xiao Wang hanno condotto una collaborazione di un anno con i loro gruppi di laboratorio presso la Scuola di ingegneria dei sistemi biologici e sanitari, una delle sei scuole Fulton. I risultati della loro nuova ricerca sui modi in cui i circuiti genici ingegnerizzati interagiscono con le cellule ospiti biologiche sono stati pubblicati questa settimana sulla rivista scientifica Natura chimica biologia .

La biologia sintetica applica metodi ingegneristici per progettare nuove reti biologiche o riprogettare aspetti di sistemi biologici esistenti. Si tratta di un campo di studi in rapida ascesa, e molti progressi significativi sono stati fatti negli ultimi 20 anni.

I primi lavori includevano la creazione di circuiti genetici sintetici e il loro posizionamento all'interno di cellule ospiti naturali.

"Ma il concetto di circuito qui è astratto, " Wang dice. "Immagina una sequenza di segmenti genetici in cui il primo codifica o produce una particolare proteina. Quella proteina, a sua volta, può attivare o inibire l'espressione o la produzione di proteine ​​da un altro segmento nella sequenza genetica. Se continui ad espandere questa idea, puoi immaginare che sia come una rete."

È questa catena di influenza o incentivo che funziona come un circuito, piuttosto che le connessioni fisiche all'interno della sequenza genetica. Però, la ricerca precedente si è concentrata solo sui comportamenti degli stessi circuiti genetici ingegnerizzati, con poca attenzione allo sfondo o al contesto rappresentato dalle cellule ospiti.

"È difficile prevedere come queste interazioni influenzino le funzioni dei circuiti genetici ingegnerizzati, "Tian dice, "per non parlare di come controllarli e far funzionare i circuiti come desiderato all'interno di complicati, ambienti di vita reale".

Infatti, questi circuiti genici sintetici funzionano generalmente solo in un ambiente di laboratorio, non in condizioni più realistiche. E questa limitazione inibisce notevolmente l'applicazione di circuiti genici ingegnerizzati in contesti clinici.

Cercando di far avanzare il campo in quella direzione pratica, la nuova ricerca di Tian e Wang ha esplorato la relazione tra i circuiti dei geni sintetici e le loro cellule ospiti. Nello specifico, hanno esaminato l'impatto dei circuiti di "memoria" impiantati all'interno delle cellule ospiti, e l'influenza del circuito genico "topologie, " o l'architettura delle interconnessioni tra i componenti del circuito, in relazione alla crescita della cellula ospite.

Nell'ambito di questo lavoro, l'idea di memoria si riferisce alla continuazione dell'influenza o dell'induzione all'interno di un circuito genico ingegnerizzato anche in assenza di uno stimolo.

"Pensa a un interruttore della luce in casa tua, " dice Wang. "La luce rimane accesa anche quando togli il dito dall'interruttore. Ci riferiamo a quello stato persistente come memoria".

La nuova ricerca di Tian e Wang ha rivelato che le topologie dei circuiti di memoria sono significativamente influenzate dal comportamento della cellula ospite.

"Abbiamo verificato che le influenze vengono scambiate tra il circuito genico e la cellula ospite, " dice Tian. "Cioè, il circuito colpisce la cellula ospite, che in cambio ha un impatto sul circuito. È come un ciclo.

"Ma abbiamo anche dimostrato che l'impatto sulla funzionalità di un circuito dipende dalla sua topologia, "dice. "Allora, una topologia di circuito mostra prestazioni migliori rispetto ad altri all'interno di un ambiente host dinamico."

La loro scoperta che mette in relazione la topologia del circuito con l'impatto di una cellula ospite sulla funzione del circuito è la prima nel campo della biologia sintetica, e amplia la comprensione scientifica significativa di queste interazioni complesse.

"Apre la strada a costruzioni robuste, circuiti genici ingegnerizzati, " dice Tian. "Questi potrebbero un giorno potenziare gli interventi contro le metastasi del cancro, Per esempio, rallentando la capacità delle cellule tumorali di tradurre il loro sviluppo".

Il progresso della ricerca che Tian e Wang hanno pubblicato include l'esame dell'impatto dell'aggiunta di ulteriori circuiti o moduli di geni sintetici nelle cellule ospiti, che eleva sostanzialmente il livello di complessità in quanto i moduli competono per le risorse all'interno del sistema cellulare.

Wang afferma che la School of Biological and Health Systems Engineering all'interno delle Fulton Schools è particolarmente ben posizionata per le scoperte nella biologia sintetica.

"Abbiamo una massa critica di persone dedicate che sono strategicamente investite nel portare avanti quest'area di ricerca a lungo termine, "dice. "Allora, stiamo cercando di essere leader in questo campo".