Искусственные биологические часы отсчитали первое время
Искусственно созданные генетические часы, эти микроскопические «механизмы», владея по сути всё тем же стандартным комплектом функций, смогут послужить, к примеру, датчиками и оказать помощь решить многие неприятности современной медицины, химической и пищевой индустрии. Причём биологическим часам кроме того не требуется какое-то дополнительное оборудование, поскольку их показания – свет.
Учёные из университета Калифорнии в Сан-Диего (UCSD) первыми в мире создали стабильно трудящиеся, стремительные, программируемые на генетическом уровне биологические часы. Время они отсчитывают очень необыкновенным методом: через определённые промежутки существенно увеличивается светимость флуоресцентных белков в клеток бактерий Escherichia coli.
Биологи применяли для этих целей трёхступенчатый подход. Сперва исследователи выстроили пара расчётных моделей для конкретной совокупности (в этом случае для генетических часов), после этого на базе моделей выяснили критерии конструирования и, наконец, создали генетические цепочки и удостоверились в надежности их работоспособность.
Ещё одно поясняющее видео возможно взглянуть на данной странице.
По-видимому, учёные имели в виду, что сперва они вычислили, какой должна быть колония E. coli, которую возможно было бы назвать «генетическими часами». Позже они прикинули в уме и, конечно же, на бумаге, что необходимо данной самой колонии чтобы мерцать строго по расписанию, снабдили клетки всем нужным и удостоверились в надежности, соответствует ли замеченное модели, выстроенной в начале.
«Вместо того дабы проводить бесчисленные подгонки и пробовать осознать, что же необходимо, мы решили сперва выстроить модель, создать колонию, а после этого в ходе выяснить, что же не так», — растолковывает в пресс-релизе университета один из исследователей, аспирант Скотт Куксон (Scott Cookson).
Пример осцилляции флуоресценции (иллюстрация UC San Diego Jacobs School of Engineering).
Нельзя сказать, что к такому, казалось бы, логическому ответу учёные пришли вдруг. Начальник команды Джефф Хасти (Jeff Hasty) трудился над созданием более-менее полноценно трудящихся генетических часов в течении последних восьми лет.
И лишь сравнительно не так давно его коллеги и Джефф в собственной лаборатории биодинамики (Biodynamics Lab) смогли создать весьма правильную микроструйную совокупность, осуществляющую контроль условия, в которых размножались E. coli. Она помогла биологам установить, какие конкретно как раз трансформации состояния среды и как отразились на частоте мерцания.
Зависимость периода осцилляций (вертикальная шкала, в минутах) от разных факторов.
IPTG – изопропилтиогалактозид, заставляющий трудиться гены E. coli определённым образом; G – период деления клетки, арабиноза – источник углерода для бактерий (иллюстрация UC San Diego Jacobs School of Engineering).
Частота мерцания колонии в пробирке зависит от многих параметров: температуры, прочих факторов и поступления энергии среды. Из этого следует логичный вывод – новое изобретение в полной мере может послужить естественным биологическим сенсором, говорящим о состоянии окружающего пространства при помощи мигания (фактически Азбука Морзе!).
Информацию о совершённом изучении биоинженеры привели в статье, размещённой в издании Nature.
«Мы наконец-то осознали, что главным нюансом в работе совокупности стала маленькая задержка в отрицательном цикле обратной связи в выстроенной генетической сети», — говорит Хасти.
Диаграмма сети осциллятора с двойной обратной связью, которая и обеспечила столь ответственный прорыв в синтетической медицине (иллюстрация UC San кожный покров Jacobs School of Engineering).
Попытаемся пояснить: мерцание обусловлено двухминутной задержкой между синтезом матричной РНК и функциональных протеинов.
Над отрицательным (виртуально) расположен хороший цикл обратной связи, что делает неестественные часы более правильными и устойчивыми во времени.
Само собой разумеется, процессы, регулирующие суточные ритмы высших организмов, намного сложнее. Однако учёные уверены в том, что созданная ими упрощённая схема может принимать во внимание эволюционным прообразом современных биологических часов животных.
Всё больше изучений говорят о том, что функции генов колеблются и в естественных условиях.
«В отдельных клеток активность многих генов то возрастает, то убывает», — говорит Хасти. И по окончании совершённых изучений (построения несложных цепей, в которых функции генов осциллируют) он уже не удивляется тому, что целый геном способен совершенно верно так же усиливать либо «приостанавливать» собственную работу.
Так, данное изучение тесно связало синтетическую биологию и генетику. Наблюдение за работой сети разрешает осознать базы регуляции генов.
«Сборка генов в неестественные цепи, поведение которых мы можем угадать, существенно прибавляет научному миру знаний о основных правилах работы клеток», — поясняет один из экспериментаторов Джеймс Андерсон (James Anderson).
Само собой разумеется, все нюансы смоделировать в лаборатории нереально, но, шепетильно поразмыслив, возможно заключить – что нужно учитывать, а что нет, заключает Хасти.
Скотт Куксон контролирует работоспособность одного из чипов (фото UC San Diego Jacobs School of Engineering).
На следующем этапе работ биологи постараются вынудить светиться в один момент всех E. coli, расположившихся в пробирки.
О будущем синтетической биологии и подобных экспериментов в целом Джефф говорит так: «Непременно генная терапия себя изживёт, исследователи обучатся руководить последовательностями генов и строить ДНК под определённые потребности. Следующей целью станет возможность считывания состояний клетки датчиками – лишь тогда учёные смогут функционировать в соответствии с взятыми данными.
Мы стремимся к тому, дабы искусственно выстроенная цепочка логических ответов в ДНК помогала нам определить больше о клетке. Но для этого необходимо совершить ещё множество фундаментальных изучений по работе генов, чем мы на данный момент и занимаемся».
