Исследователи разработали новый метод защиты хрупких синтетических генетических схем от нарушений, вызванных ростом клеток — распространенной проблемы в генетической инженерии. Этот подход использует естественный процесс, называемый жидкостно-жидкостной фазовой сепарацией, для создания крошечных, защитных компартментов внутри клеток, обеспечивая сохранность генетических модификаций и гарантируя стабильную работу синтетических генетических программ.
Проблема: разведение и отказ схем
Когда генетические инженеры разрабатывают и собирают синтетические генетические схемы для программирования клеток с новыми функциями, возникает критическая проблема в связи с ростом и делением клеток. Ключевые сигнальные молекулы — важнейшие компоненты этих схем — могут разбавляться, что приводит к нестабильности и, в конечном итоге, к отказу синтетических программ. Это разведение препятствует поддержанию схемой запрограммированного поведения.
Решение, вдохновленное природой
Сяоцзюнь Тянь, доцент Университета штата Аризона в Школе биологических и инженерных систем здравоохранения, и его команда разработали решение, имитирующее собственные стратегии организации природы. Инженеризируя клетки для формирования небольших компартментов в виде капель, известных как транскрипционные конденсаты, вокруг ключевых генов, они эффективно защищают эти гены от разрушительного воздействия роста клеток.
Как работает жидкостно-жидкостная фазовая сепарация
Клетки естественно используют жидкостно-жидкую фазовую сепарацию для организации своей внутренней среды, создавая компартменты для важнейших биохимических реакций без необходимости использования мембран. Команда осознала потенциал использования этого процесса для защиты синтетических генетических схем. Эти микроскопические капли действуют как «безопасные зоны», предотвращая вымывание ключевых молекул по мере роста клетки.
«Когда мы пытаемся запрограммировать клетки для выполнения полезных задач, таких как диагностика или терапевтическое производство, генетические программы часто терпят неудачу, потому что рост клетки разбавляет ключевые молекулы, необходимые для их работы», — объясняет Тянь. «Мы решили эту проблему, используя собственную стратегию клетки по фазовой сепарации для защиты разработанных систем».
Сдвиг в подходах синтетической биологии
Традиционно синтетическая биология фокусировалась на манипулировании последовательностями ДНК или регуляторными петлями обратной связи для поддержания функциональности разработанных систем. Команда Тяня представила другой принцип физически-ориентированного проектирования, который работает вместе с существующей организацией молекул внутри клеток.
«Мы обнаружили, что, формируя крошечные капли, называемые транскрипционными конденсатами, вокруг генов, мы можем защитить генетические программы и сохранить их стабильность, даже когда клетки растут», — добавляет Вэньвэй Чжэн, профессор химии. «Это простое физическое решение предотвращает разведение и обеспечивает надежную работу схем».
Визуальное доказательство: капли в действии
Микроскопические изображения из исследования демонстрируют яркие, светящиеся скопления этих транскрипционных конденсатов внутри клеток, предоставляя визуальное подтверждение того, что эти капли могут формироваться точно там, где необходимо для стабилизации активности генов.
Совместная экспертиза способствует инновациям
Этот прорыв является результатом междисциплинарных усилий, привлекающих экспертизу в области синтетической биологии, моделирования и метаболической инженерии. Проект был реализован при участии Дэвида Нильсена, профессора химической инженерии, который подчеркнул практическое применение этого открытия: «Впечатляет видеть, как эти капли можно использовать для повышения выхода биопроизводства».
Будущие применения и потенциал
Исследователи видят огромный потенциал для этой техники. Группа Тяня уже работает над разработкой различных типов конденсатов для управления конкретными генами, создавая то, что они называют «умными клетками», которые могут адаптироваться и функционировать в течение длительного времени.
«Исследователи в области синтетической биологии, которые сталкиваются с нестабильными схемами, увидят в этом новый способ сделать свои системы более надежными», — говорит Чжэн. «Биопроцесс-инженеры, которые хотят получить стабильный выход, также могут использовать это. Для таких биофизиков, как я, это волнующе видеть, как физические принципы, такие как фазовая сепарация, превращаются в практические инженерные инструменты».
Эта работа отражает значительный сдвиг в синтетической биологии. Используя естественные принципы организации клетки, исследователи могут создавать системы, которые являются одновременно мощными и по своей сути стабильными, открывая новые возможности для стабильных клеточных фабрик и будущих медицинских применений. Следующие шаги включают демонстрацию применения техники в более разнообразных реализациях для оценки устойчивости и масштабируемости, хотя потенциал для более широкого применения считается высоким.
