Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть цикла статей о
Синтетическая биология
Синтетические биологические схемы
Редактирование генома
Искусственные клетки
Ксенобиология
Другие темы
Лаковый оперон является естественной биологической схемой , на которой основаны многие синтетические схемы. Вверху: репрессированные, внизу: активные.
1 : РНК-полимераза, 2 : Репрессор, 3 : Промотор, 4 : Оператор, 5 : Лактоза, 6 : lacZ , 7 : lacY , 8 : lacA .

Синтетические биологические схемы - это приложение синтетической биологии, в котором биологические части внутри клетки предназначены для выполнения логических функций, имитирующих те, которые наблюдаются в электронных схемах . Применения варьируются от простого стимулирования производства до добавления измеримого элемента, такого как GFP , к существующей естественной биологической цепи , до реализации совершенно новых систем, состоящих из многих частей. [1]

Рибосома является биологической машиной .

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 изменения клеточных функций, создания клеточных реакций на условия окружающей среды или влияния на развитие клеток. Реализуя рациональные, управляемые логические элементы в клеточных системах, исследователи могут использовать живые системы в качестве сконструированных « биологических машин » для выполнения широкого круга полезных функций. [1]

История [ править ]

Первой детально изученной природной генной цепью был lac-оперон . В исследованиях diauxic роста из кишечной палочки на двух сахарных средах, Жак Моно и Жакоб обнаружили , что Е. coli предпочтительно потребляет более легко обрабатывается глюкозы перед переключением на лактозы метаболизма. Они обнаружили, что механизм, который контролирует метаболическую функцию «переключения», состоит из двух частей, регулирующих lac-оперон. Когда в клетке присутствует лактоза, вырабатывается фермент β-галактозидаза, который превращает лактозу в глюкозу или галактозу.. Когда в клетке отсутствует лактоза, lac-репрессор подавляет выработку фермента β-галактозидазы, чтобы предотвратить любые неэффективные процессы в клетке.

Lac-оперон используется в биотехнологической промышленности для производства рекомбинантных белков для терапевтического использования. Ген или гены для продукции экзогенного белка помещаются на плазмиду под контролем промотора lac. Первоначально клетки выращивают в среде, не содержащей лактозы или других сахаров, поэтому новые гены не экспрессируются. Когда клетки достигают определенной точки роста, добавляется изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (IPTG) . IPTG, молекула, похожая на лактозу, но с серной связью, которая не гидролизуется, так что кишечная палочка не переваривает ее, используется для активации или « индуцирования«производство нового белка. После того, как клетки индуцированы, трудно удалить IPTG из клеток, и поэтому трудно остановить экспрессию.

Два первых примера синтетических биологических цепей были опубликованы в журнале Nature в 2000 году. Один, сделанный Тимом Гарднером, Чарльзом Кантором и Джимом Коллинзом, работающими в Бостонском университете , продемонстрировал «бистабильный» переключатель у E. coli . Переключатель включается при нагревании культуры бактерий и выключается при добавлении IPTG. Они использовали GFP в качестве репортера для своей системы. [3] Второй, проведенный Майклом Эловицем и Станисласом Лейблером , показал, что три гена-репрессора могут быть связаны с образованием петли отрицательной обратной связи, называемой Repressilator, которая производит самоподдерживающиеся колебания уровня белка в E. coli. [4]

В настоящее время синтетические схемы являются растущей областью исследований в системной биологии, и каждый год публикуется 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 деталей BioBrick как средства, позволяющего студентам и старшеклассникам разрабатывать свои собственные синтетические биологические схемы. .

Интересы и цели [ править ]

Существуют как краткосрочные, так и долгосрочные приложения для использования синтетических биологических схем, включая различные приложения для метаболической инженерии и синтетической биологии . К числу успешно продемонстрированных относятся фармацевтическое производство [7] и производство топлива. [8] Однако методы, предполагающие 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 биологический контур, в котором простой репрессор или промоторвводится для облегчения создания продукта или ингибирования 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 клеточных схем 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 может 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 можно сконструировать клетки «подключи и работай» [1] с четко определенной генетической схемой. Широко распространено мнение, что при создании надлежащего инструментария из частей [10] синтетические клетки могут быть разработаны, реализующие только пути, необходимые для выживания и воспроизводства клеток. Из этой клетки, которую следует рассматривать как минимальный геномячейки, можно добавить 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 отображенных частей 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 [ править ]

Осцилляторы [ править ]

  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 [ править ]

  1. Переключить переключатель

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

Логические операторы [ править ]

Логическое И вентиль . [13] [14] Если присутствуют сигнал A И сигнал B, то будет получен желаемый генный продукт. Все показанные промоторы индуцируются, активируются отображаемым генным продуктом. Каждый сигнал активирует экспрессию отдельного гена (показан голубым). Затем экспрессированные белки могут либо образовывать полный комплекс в цитозоле , который способен активировать экспрессию продукции (показано), либо могут действовать отдельно для индукции экспрессии, например, отдельно удаляя ингибирующий белок и индуцируя активацию неингибированного промотора.
Логический элемент ИЛИ . [13] [14] Если присутствует сигнал A ИЛИ сигнал B, то будет получен желаемый генный продукт. Все показанные промоторы индуцируются. Любой сигнал способен активировать экспрессию продукта выходящего гена, и для экспрессии гена требуется действие только одного промотора. Механизмы посттранскрипционной регуляции могут предотвращать присутствие обоих входов, дающих сложный высокий выход, например, создание сайта связывания рибосомы с низким сродством связывания .
Логический Отрицаемые И вентиль . [13] [14] Если присутствуют сигнал A И сигнал B, то желаемый генный продукт НЕ будет получен . 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 [ править ]

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

Контроллеры неоднородности экспрессии генов [ править ]

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

Другие инженерные системы [ править ]

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

Схемотехника [ править ]

Вычислительный дизайн и оценка цепей ДНК для достижения оптимальной производительности

Недавние разработки в области искусственного синтеза генов и соответствующее усиление конкуренции в отрасли привели к значительному снижению цены и времени ожидания синтеза генов, а также помогли улучшить методы, используемые при проектировании схем. [19] В настоящее время конструкция схем 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 сгенерированные пользователем, которые включают доступные гены и известные взаимодействия генов для клонирующих организмов. Фреймворк Clotho использует стандартные правила Biobrick . [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Кобаяши, Х .; Kærn, M .; Араки, М .; Chung, K .; Гарднер, Т.С.; Кантор, CR; Коллинз, Дж. Дж. (2004). «Программируемые клетки: взаимодействие естественных и сконструированных генных сетей» . PNAS . 101 (22): 8414–8419. Bibcode : 2004PNAS..101.8414K . DOI : 10.1073 / pnas.0402940101 . PMC  420408 . PMID  15159530 .
  2. ^ «Синтетическая биология: FAQ» . SyntheticBiology.org . Архивировано из оригинала 12 декабря 2002 года . Проверено 21 декабря 2011 года .
  3. ^ a b Гарднер, Ц., Кантор, Ч. Р., Коллинз, Дж. Конструирование генетического тумблера в Escherichia coli. Nature 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 : 2000Natur.403..335E . DOI : 10.1038 / 35002125 . ISSN 1476-4687 . PMID 10659856 . S2CID 41632754 .   
  5. ^ Пурник, Присцилла Э.М.; Вайс, Рон (2009). «Вторая волна синтетической биологии: от модулей к системам». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 10 (6): 410–422. DOI : 10.1038 / nrm2698 . PMID 19461664 . S2CID 200495 .  
  6. ^ International Genetically Engineered машины (iGem) http://igem.org/Main_Page
  7. ^ Ro, D.-K .; Paradise, EM; Ouellet, M .; Фишер, К.Дж.; Ньюман, KL; Ndungu, JM; Хо, КА; Eachus, РА; Ham, TS; Кирби, Дж .; Чанг, MCY; Холка, ST; Shiba, Y .; Sarpong, R .; Кислинг, JD (2006). «Производство противомалярийного препарата-предшественника артемизиновой кислоты в модифицированных дрожжах». Природа . 440 (7086): 940–943. Bibcode : 2006Natur.440..940R . DOI : 10,1038 / природа04640 . PMID 16612385 . S2CID 3199654 .  
  8. ^ Фортман, JL; Chhabra, S .; Mukhopadhyay, A .; Chou, H .; Ли, Т.С.; Steen, E .; Кислинг, JD (2008). «Биотопливо, альтернативное этанолу: прокачка микробной скважины» . Trends Biotechnol . 26 (7): 375–381. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2008.03.008 . PMID 18471913 . 
  9. ^ Кислинг, JD (2008). «Синтетическая биология для синтетической химии» . ACS Chem Biol . 3 (1): 64–76. DOI : 10.1021 / cb7002434 . PMID 18205292 . 
  10. ^ Lucks, Julius B; 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. DOI : 10.1016 / j.mib.2008.10.002 . PMID 18983935 . 
  11. ^ Elowitz, МБ; Лейблер, С. (2000). «Синтетическая колебательная сеть регуляторов транскрипции». Природа . 403 (6767): 335–338. Bibcode : 2000Natur.403..335E . DOI : 10.1038 / 35002125 . PMID 10659856 . S2CID 41632754 .  
  12. ^ Fung, E .; Вонг, WW; Suen, JK; Bulter, T .; Lee, S .; Ляо, JC (2005). «Синтетический ген-метаболический осциллятор». Природа . 435 (7038): 118–122. Bibcode : 2005Natur.435..118F . DOI : 10,1038 / природа03508 . PMID 15875027 . S2CID 414371 .  
  13. ^ a b c Silva-Rocha, R .; де Лоренцо, В. (2008). «Майнинг логических ворот в прокариотических сетях регуляции транскрипции» . Письма FEBS . 582 (8): 1237–1244. DOI : 10.1016 / j.febslet.2008.01.060 . PMID 18275855 . S2CID 45553956 .  
  14. ^ a b c Buchler, NE; Gerland, U .; Хва, Т. (2003). «О схемах комбинаторной логики транскрипции» . PNAS . 100 (9): 5136–5141. Bibcode : 2003PNAS..100.5136B . DOI : 10.1073 / pnas.0930314100 . PMC 404558 . PMID 12702751 .  
  15. ^ Nevozhay D, Адамс Р., Мерфи KF, Josic K, Balázsi G (31 марта 2009). «Отрицательная ауторегуляция линеаризует реакцию на дозу и подавляет неоднородность экспрессии генов» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 106 (13): 5123–8. Bibcode : 2009PNAS..106.5123N . DOI : 10.1073 / pnas.0809901106 . PMC 2654390 . PMID 19279212 .  
  16. ^ Blake WJ, Balázsi G, Kohanski М.А., Айзекс FJ, Murphy KF, Куанг Y, Кантор CR, Уолт DR, Collins JJ (28 декабря 2006). «Фенотипические последствия опосредованного промотором транскрипционного шума». Мол. Cell . 24 (6): 853–65. DOI : 10.1016 / j.molcel.2006.11.003 . PMID 17189188 . 
  17. ^ Фридланд, AE; Лу, ТЗ; Ван, X .; Ши, Д .; Церковь, G .; Коллинз, Дж. Дж. (2009). «Синтетические генные сети, которые имеют значение» . Наука . 324 (5931): 1199–1202. Bibcode : 2009Sci ... 324.1199F . DOI : 10.1126 / science.1172005 . PMC 2690711 . PMID 19478183 .  
  18. ^ Табор, JJ; Салис, HM; Симпсон, З. Б.; Chevalier, AA; Левская, А .; Marcotte, EM; Фойгт, Калифорния; Эллингтон, AD (2009). «Программа обнаружения синтетических краев» . Cell . 137 (7): 1272–1281. DOI : 10.1016 / j.cell.2009.04.048 . PMC 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. DOI : 10,1146 / annurev-Bioeng-071811-150118 . PMID 22577777 . S2CID 7319630 .  
  20. ^ a b Lux, 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. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2011.01.001 . PMC 3073767 . PMID 21310501 .  
  21. ^ "GenoCAD: Программное обеспечение САПР для синтетической биологии" . www.genocad.com . Проверено 21 октября 2015 .
  22. ^ "Клото" . www.clothocad.org . Проверено 21 октября 2015 .
  23. ^ "J5" . j5.jbei.org . Проверено 21 октября 2015 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Генная регуляция: к дисциплине схемотехники
  • Синтетические генетические осцилляторы