O nouă tehnică protejează circuitele genetice sintetice împotriva diluării cauzate de creșterea celulară
Inginerii genetici au posibilitatea de a proiecta și asambla circuite genetice sofisticate care pot programa celulele să îndeplinească funcții noi. Totuși, în timpul procesului de creștere și diviziune, moleculele semnalizatoare esențiale se pot dilua, ceea ce determină pierderea funcțiilor programate ale acestor circuite sintetice.
Xiaojun Tian, profesor asociat în cadrul Școlii de Inginerie Biologică și de Sănătate a Universității de Stat din Arizona, împreună cu echipa sa, a descoperit o metodă de protejare a acestor programe genetice fragile, bazându-se pe un principiu inspirat din natură.
Proiectul beneficiază de expertiza interdisciplinară în biologia sintetică, modelare și inginerie metabolică, colaborând strâns cu David Nielsen, profesor de inginerie chimică, și Wenwei Zheng, profesor asociat de chimie, ambii din cadrul școlilor de inginerie ale universității. Într-un articol recent publicat în revistă Cell, cercetătorii au prezentat o tehnică ce stabilizează circuitele genetice sintetice prin formarea de compartimente de tip picătură în interiorul celulelor, proces denumit separare de fază lichid-lichid.
Aceste picături microscopice, cunoscute sub numele de condensate transcripționale, funcționează ca niște zone sigure moleculare în jurul genelor cheie, protejând modificările ingineriei sintetice de diluarea provocată de creșterea celulară.
„Când încercăm să programăm celule pentru a îndeplini sarcini utile, cum ar fi diagnosticarea sau producția terapeutică, programele genetice eșuează adesea din cauza diluării moleculelor cheie necesare pentru a le menține active”, explică Tian. „Am abordat această provocare folosind strategia de separare a fazelor pentru a proteja sistemele inginerizate.”
Împrumutând din strategiile naturii
Celulele utilizează separarea de fază pentru a-și organiza mediu intern, creând compartimente pentru reacții biochimice esențiale fără a folosi membranele. Echipa lui Tian a realizat că prin inginerizarea unor condensate asemănătoare în jurul genelor sintetice, pot imita această organizare naturală și menține stabilitatea genetică pe parcursul mai multor generații de celule.
„Am descoperit că formarea acestor picături numite condensate transcripționale în jurul genelor ne permite să protejăm programele genetice și să le menținem stabile, chiar și pe măsură ce celulele cresc”, afirmă Zheng. „Este o soluție fizică simplă care împiedică diluarea și ajută circuitele să funcționeze fiabil.”
Această abordare reprezintă o schimbare majoră față de strategiile tradiționale din biologia sintetică, care s-au concentrat, în mare parte, pe modificarea secvențelor de ADN sau a buclelor de feedback regulator pentru a menține funcționarea sistemelor inginerizate. În loc să complice controlul sistemelor, echipa lui Tian a introdus un principiu de design fizic care valorifică organizarea spatială existentă a moleculelor din interiorul celulelor.
Un nou design pentru celule programabile self-stabilizatoare
Deși celulele naturale s-au evoluat pentru a utiliza condensate ca sistem de protecție integrat pentru a reglementa activitatea circuitelor genice, acest studiu este printre primele care arată cum pot fi reutilizate pentru a stabiliza programele sintetice. „Celulele utilizează deja aceste condensate pentru a se reglementa singure”, spune Tian. „Acum ne folosim de aceeași strategie pentru biologia sintetică.”
Adoptarea acestei metodologii ar putea ajuta cercetătorii să construiască sisteme biologice mai fiabile, care mențin funcții productive și previzibile. „Aceasta deschide o nouă modalitate de a construi sisteme de viață mai fiabile, de la fabrici celulare stabile la aplicații medicale viitoare”, conchide Tian.
Acesta este doar începutul. Grupul lui Tian explorează deja modul de a ingineriza diferite tipuri de condensate pentru a controla diferite gene, transformându-le efectiv în hub-uri de control programabile în interiorul celulelor. „Dorim să programăm condensate diferite pentru a controla gene diferite, creând celule inteligente care pot adpta și funcționa pe termen lung.”
Acest abordare, care respectă principiile naturii, reprezintă un punct de cotitură în domeniu. Următorul pas este de a demonstra aplicațiile tehnicii pentru implementări mai diverse, pentru a determina reziliența și scalabilitatea, deși cercetătorii nu văd nicio lipsă de aplicații potențiale.
„Cercetătorii din biologia sintetică care se confruntă cu circuite instabile vor considera aceasta o nouă modalitate de a face sistemele lor mai fiabile”, adaugă Zheng. „Inginerii bioproceselor care doresc o producție constantă pot beneficia, de asemenea, de această tehnică.” Conform lui Tian, „Această lucrare reflectă o nouă direcție în biologia sintetică. Utilizând principiile de organizare ale celulelor, putem construi sisteme care sunt atât puternice, cât și în mod inerent stabile.”
