|
Шаг к созданию материалов, управляемых искусственными генами
|
|
|
|
Гены нашего тела работают вместе, чтобы регулировать поведение наших клеток. Например, если вы содраете кожу с колена, ваши гены используют химическую систему обмена сообщениями, чтобы направить целую армию клеток на лечение ссадины. Если бы ученые смогли создать искусственные гены, которые могли бы выполнять те же функции, но действовать внутри материалов, а не организмов, стало бы возможным создание широкого спектра новых диагностических самовосстанавливающихся материалов. Команда под руководством инженера Университета Джона Хопкинса Ребекки Шульман закладывает основу для этой работы, разрабатывая синтетические химические системы, которые могут имитировать сложное поведение естественных генных сетей. Их работа недавно появилась в Nature Chemistry.
|
|
|
|
«Клетки используют гены, чтобы решить, как двигаться, расти и действовать. Способность создавать простые «гены», которые могут принимать решения самостоятельно, может привести к улучшению диагностики или терапии или даже предоставить способы создания новых типов роботов из мягкого материала. которые контролируются химией, а не электроникой», — сказал Шульман, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии и младший научный сотрудник Института нанобиотехнологий Школы инженерии Уайтинга.
|
|
|
Человеческое тело включает около 25 000 генов, и химические взаимодействия, которые эти гены используют для регуляции клеток, состоят из множества этапов и движущихся частей. Исследователи узнали, что им не нужно тщательно воссоздавать каждый из этих естественных биологических шагов для создания синтетических аналогов генов, способных выполнять те же функции. Чтобы улучшить и лучше предсказать поведение аналогов генов, Шульман и ее команда создали набор молекулярных инструментов, который включает в себя генелеты (очень маленькие гены, функции которых могут меняться в зависимости от инструкций) и упрощенные математические модели, которые предсказывают поведение генелетов.
|
|
|
|
Упрощенная система генелетов, разработанная командой, использует ДНК, сумму генетической информации организма; РНК, передающая генетическую информацию частям клетки, производящим белки; фермент полимераза, который расшифровывает ДНК для создания копий РНК; и фермент РНКаза, расщепляющий РНК. Используя только эти простые элементы, система команды Шульмана может адаптироваться и перезагружаться по мере изменения окружающей среды, как это делают естественные гены в организме.
|
|
|
|
«Одна из проблем заключается в том, что компоненты, входящие в состав ДНК и РНК, не всегда ведут себя так, как предполагалось», — объясняет она. «Кроме того, некоторые компоненты, такие как ферменты полимеразы, просты и легки в работе, но их трудно контролировать. Это затрудняет разработку систем, которые приводят к желаемым результатам». Чтобы избежать нежелательных реакций, команда Шульмана создала простую математическую модель, которая предполагает, что все компоненты ведут себя одинаково. Затем, чтобы построить химическую систему, которая следовала предсказанию простой модели, они систематически выявляли нежелательные реакции и подавляли их, модифицируя участки одноцепочечной ДНК.
|
|
|
|
«Как правило, нежелательные реакции происходят из-за фермента полимеразы, поскольку он довольно активно реагирует на компоненты ДНК», — сказал Сэмюэл Шаффтер, ведущий автор работы и выпускник Университета Джона Хопкинса. Он является постдокторантом в Национальном институте стандартов и технологий. Команда проверила потенциальные компоненты на наличие желаемой активности и исключила те, которые значительно отклонялись от ожидаемой производительности. Это, в сочетании с химическими модификациями для предотвращения нежелательных реакций, дало библиотеку из примерно 15 генетов с универсальными стандартными характеристиками.
|
|
|
|
Они использовали эти стандартные компоненты для разработки сетей, которые выполняют ключевые задачи, наблюдаемые в клетках, например, задачи, направляющие клетки во время развития, а также сети, способные к памяти. Их результаты удивительно хорошо согласовывались с прогнозами их простой модели, что указывает на мощь инженерных решений с использованием компонентов со стандартизированными характеристиками.
|
|
|
|
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы использовать эти химические системы для управления поведением наноструктур, наночастиц и гидрогелей, которые можно было бы использовать в расширенной диагностике и, возможно, когда-нибудь в самовосстанавливающейся электронике. Они надеются, что этот инструментарий вдохновит другие исследовательские группы на создание новых приложений, и разработали программный пакет, доступный на GitHub. Пользователи могут быстро моделировать любую сеть и создавать последовательности ДНК для тестирования в лаборатории. «Мы хотим сделать эту систему как можно более простой для использования другими исследователями, — сказал Шаффтер."
|
|
|
|
Источник
|
