Raznoliko in modelno zasnovana priprava sintetičnih genskih vezij s predvidenimi lastnostmi

Uvod

Ideja sintezne biologije je aplikacija inženirskih principov na bioloških sistemih.<ref>Andrianantoandro, E., Basu, S., Karig, D.K. & Weiss, R. Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline. Mol. Syst. Biol. 2, 2006–0028 (2006).</ref> Želja pa, da s podatkovnimi bazami dobro okarakteriziranih standardnih delov in naprav omogoči sintezo sintetičnih genskih vezij s predvidenimi lastnostmi.<ref>Guet, C.C., Elowitz, M.B., Hsing, W. & Leibler, S. Combinatorial synthesis of genetic networks. Science 296, 1466–1470 (2002).</ref> Kljub velikemu zanimanju za področje in vse večje baze "okarakteriziranih standardnih delov", so takšne sinteze precej težavne in zamudne.<ref name="Marguet">Marguet, P., Balagadde, F., Tan, C. & You, L. Biology by design: reduction and synthesis of cellular components and behaviour. J. R. Soc. Interface 4, 607–623 (2007).</ref> Predvsem zaradi slabe karakterizacije delov (npr. veliko promotorjev je opisanih le z močen ali švoh).

Dodaten problem zaradi pomanjkanja standardnih delov, je nezmožnost spremembe dinamičnega območja nekega dela, da bi delal z drugimi komponentami, ne da bi za to bilo potrebno ponovno načrtovanje celotnega sistema. Na primer; promotor Lac je po testiranju prešibek, tako ga je potrebno zamenjati. Zaradi pomanjkanja negativno regulatornih promotorjev, bomo tega zamenjali najverjetneje s promotorjem Tet. Nat. biotechnol. 27, 450 (2009) figure 1 shema prikazuje sistem, ki posreduje informacije iz »upstream« vezja do »downstream« vezja. (a) Zamenjava P_Lac z P_Tet zahteva zamenjavo posredniškega gena in potrebno ponovno načrtovanje celotnega sistema, saj imata TetR in tTA enako vezavno domeno in bi interagirala en z drugim. (b) Zamenjava prešibkega promotorja z močnejšim ne zahteva ponovnega načrtovanja in pokaže kako se bi temu lahko izognili, če bi imeli promotorje Lac z različno transkripcijsko aktivnostjo.<ref name="News">Bennett, M.R. & Hasty J. Overpowering the component problem Nat. biotechnol. 27, 450-451 (2009).</ref>

Današnji pristopi v sintezni biologiji temeljijo na sestavljanju majhnega števila različnih bioloških delov ter in vitro testiranja, praviloma brez predhodnega in silico modela.<ref>Yokobayashi, Y., Weiss, R. & Arnold, F.H. Directed evolution of a genetic circuit. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 16587–16591 (2002).</ref> Slednji se uporabljajo predvsem za interpretacijo rezultatov in ne kot vodilo za sestavljanje sistemov. Prav zato večina projektov uspe šele po mesecih iterativnega retrofitanja, ponavadi z mutagenezo nepopolnih delov ali zamenjavo dela.<ref name="Marguet" /> Za napredek vede je ključno identificirat metode za boljše predvidevanje lastnosti genskih vezij in zmanjšati čas dela v laboratoriju.

Ellis in sod. problem komponent rešijo z ustaljenimi eksperimentalnimi tehnikami. Najprej so pripravili knjižnico promotorjev Lac in Tet z naključnimi neesencialnimi zaporedji in jim izmerili transkripcijske aktivnosti. Tako pripravljeni promotorji zaradi različnih transkripcijskih lastnosti že rešijo problem prikazan na Nat. biotechnol. 27, 450 (2009) figure 1. Rezultate so pofitali v računski model, na podlagi katerega so lahko dovolj dobro predvideli kvantitativne lastnosti promotorjev v genskih vezjih. Ellis in sod. so nadaljevali in promotorje iz knjižnice uporabili v negativni zanki s predvidevanjem (ang. negative feedforward loop) in korepresivno preklopno stikalo (ang. co-represive toggle switch). V obeh vezjih so z računskim modelom dovolj dobro predvideli obnašanje vezja za nek promotor iz knjižnice. Na koncu so prikazali s sedimentacijo kvasovk kako bi takšne naprave lahko uporabili v obstoječih procesih (npr. pri varjenju piva, kjer je kvasovke potrebno ostraniti).

Ker je sinteza promotorjev relativno hitra v primerjavi s ponovnim načrtovanjem vezja, nam takšni računski modeli z izjemno napovedno močjo lahko zelo znižajo ceno in skrajšajo čas sintezno bioloških projektov.

Viri

<references/>