Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om delicate synthetische gencircuits te beschermen tegen verstoring veroorzaakt door celgroei, een veel voorkomende uitdaging in de genetische manipulatie. De aanpak maakt gebruik van een natuurlijk proces dat vloeistof-vloeistoffasescheiding wordt genoemd, om kleine, beschermende compartimenten in de cellen te creëren, waardoor technische aanpassingen worden veiliggesteld en de consistente werking van synthetische genetische programma’s wordt gegarandeerd.
Het probleem: verdunning en circuitstoring
Wanneer genetische ingenieurs synthetische gencircuits ontwerpen en assembleren om cellen met nieuwe functies te programmeren, ontstaat er een kritiek probleem als cellen groeien en delen. Belangrijke signaalmoleculen – essentiële componenten van deze circuits – kunnen verdund raken, wat tot instabiliteit leidt en er uiteindelijk voor zorgt dat de synthetische programma’s mislukken. Deze verdunning verhindert dat de circuits hun geprogrammeerde gedrag behouden.
Een oplossing geïnspireerd door de natuur
Xiaojun Tian, universitair hoofddocent aan de School of Biological and Health Systems Engineering van de Arizona State University, en zijn team hebben een oplossing bedacht die de organisatiestrategieën van de natuur zelf nabootst. Door cellen zodanig te manipuleren dat ze kleine, druppelachtige compartimenten vormen, bekend als transcriptionele condensaten, rond sleutelgenen, beschermen ze deze genen effectief tegen de verstorende effecten van celgroei.
Hoe vloeistof-vloeistof fasescheiding werkt
Cellen maken van nature gebruik van vloeistof-vloeistoffasescheiding om hun interne omgeving te organiseren, waardoor compartimenten ontstaan voor essentiële biochemische reacties zonder dat er membranen nodig zijn. Het team erkende het potentieel van het benutten van dit proces om synthetische gencircuits te beschermen. Deze microscopisch kleine druppeltjes fungeren als ‘veilige zones’ en voorkomen dat belangrijke moleculen worden weggespoeld terwijl de cel groeit.
“Als we cellen proberen te programmeren om nuttige taken uit te voeren, zoals diagnostiek of therapeutische productie, mislukken de genetische programma’s vaak omdat celgroei de belangrijkste moleculen verdunt die nodig zijn om ze draaiende te houden”, legt Tian uit. “We hebben deze uitdaging aangepakt door gebruik te maken van de eigen strategie van fasescheiding van de cel om technische systemen te beschermen.”
Een verschuiving in de benaderingen van synthetische biologie
Traditioneel heeft de synthetische biologie zich gericht op het manipuleren van DNA-sequenties of regulerende feedbackloops om de functionaliteit van kunstmatige systemen te behouden. Het team van Tian heeft een ander, fysiek gebaseerd ontwerpprincipe geïntroduceerd dat met de bestaande organisatie van moleculen in cellen werkt.
“We ontdekten dat we, door kleine druppeltjes rond genen te vormen, transcriptionele condensaten genoemd, genetische programma’s kunnen beschermen en ze stabiel kunnen houden, zelfs als cellen groeien”, voegt Wenwei Zheng, hoogleraar scheikunde, eraan toe. “Het is een eenvoudige fysieke oplossing die verdunning voorkomt en ervoor zorgt dat circuits betrouwbaar blijven werken.”
Visueel bewijs: druppels in actie
Microscopische beelden uit het onderzoek tonen heldere, gloeiende clusters van deze transcriptionele condensaten in cellen, wat een visuele bevestiging oplevert dat deze druppeltjes zich precies daar kunnen vormen waar dat nodig is om de genactiviteit te stabiliseren.
Gezamenlijke expertise stimuleert innovatie
Deze doorbraak is het resultaat van een interdisciplinaire inspanning, waarbij gebruik wordt gemaakt van de expertise van synthetische biologie, modellering en metabolische engineering. Het project werd mogelijk gemaakt door David Nielsen, hoogleraar chemische technologie, die de praktische toepassingen van deze bevinding benadrukte: “Het is spannend om te zien hoe deze druppeltjes kunnen worden gebruikt om de opbrengsten van de bioproductie te vergroten.”
Toekomstige toepassingen en potentieel
Onderzoekers zien een enorm potentieel voor deze techniek. De groep van Tian werkt al aan het ontwikkelen van verschillende soorten condensaten om specifieke genen te controleren, waardoor wat zij omschrijven als ‘slimme cellen’ worden gecreëerd die zich kunnen aanpassen en op de lange termijn kunnen functioneren.
“Onderzoekers in de synthetische biologie die worstelen met onstabiele circuits zullen dit zien als een nieuwe manier om hun systemen betrouwbaarder te maken”, zegt Zheng. “Bioprocesingenieurs die een consistente opbrengst willen, kunnen het ook gebruiken. Voor biofysici zoals ik is het spannend om te zien hoe natuurkundige principes zoals fasescheiding worden omgezet in praktische technische hulpmiddelen.”
Dit werk weerspiegelt een significante verschuiving in de synthetische biologie. Door gebruik te maken van de natuurlijke organisatieprincipes van de cel kunnen onderzoekers systemen creëren die zowel krachtig als inherent stabiel zijn, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor stabiele celfabrieken en toekomstige medische toepassingen. De volgende stappen omvatten het demonstreren van de toepassingen van de techniek in meer uiteenlopende implementaties om de veerkracht en schaalbaarheid te beoordelen, hoewel het potentieel voor bredere toepassing als groot wordt beschouwd.
