+

В синтетической биологии, которая занимается наделением живых организмов искусственными свойствами, есть направление, которое посвящено созданию вычислительных автоматов на базе живых клеток. В основе этой концепции лежит способность управлять экспрессией определенных генов извне при соблюдении ряда условий. В модельной ситуации обычно используют гены-репортеры — к примеру, светящиеся белки, однако в идеальном случае так можно управлять широким спектром генов, а значит, и свойств клеток.

Так вот, Австралийские ученые расширили арсенал биокомпьютеров — живых клеток, способных выполнять некоторые логические операции. В этот раз осуществлять операции YES, NO, AND, OR, и более сложные, научили клетки растений.

Любимыми объектами генных инженеров до сих пор были бактерии, так как с ними просто осуществлять генетические манипуляции, и многие их гены подвержены однозначной регуляции.

Преимуществом бактериальных вычислителей, является наличие множества генов, экспрессия которых запускается единственным веществом (к примеру, определенным типом сахара). Это позволяет инициировать выполнение логической операции просто добавлением вещества в раствор (в простейшем случае это операции YES, NO). В эукариотических клетках регуляция экспрессии генов устроена сложнее, и генов, подверженных такой однозначной регуляции, очень мало. Поэтому генным инженерам для упрощения управления экспрессией приходится вводить в ДНК дополнительные элементы.

К примеру, чтобы выключить экспрессию гена, а затем включить, между кодирующей последовательностью и ее регуляторной областью (промотором) можно поместить несколько шпилек, препятствующих запуску экспрессии гена, а по краям этой кассеты поместить сайты распознавания рекомбиназы — фермента, который вырезает участки ДНК по определенным последовательностям. В этом случае активация рекомбиназы приведет к вырезанию «тормозящих» шпилек и включению гена. Для включения самой рекомбиназы можно использовать искусственные регулируемые промоторы, которые вводятся в клетку вместе с геном фермента.

Подобный подход ученые из Бостонского университета уже реализовали в 2017 году на клетках млекопитающих. Теперь же генные инженеры из Университета Западной Австралии под руководством Райана Листера (Ryan Lister) применили рекомбиназы в клетках модельного растения Arabidopsis thaliana и научили их выполнять ряд логических операций с двумя входными сигналами.

+

Пример генетической кассеты для регуляции экспрессии репортерного гена с использованием рекомбиназы

Для этого исследователям пришлось использовать две разных рекомбиназы — дрожжевые Flp и B3 с разными сайтами узнавания. Экспрессия самих рекомбиназ включалась под действием разных сигналов, например, нагреванием или добавлением дексаметазона. Выходными сигналами служило включение репортерных белков — зеленого флуоресцентного белка или люциферазы.

К примеру, чтобы реализовать операцию OR, выключатель перед репортерным геном ставили в окружение сайтов распознавания обеих рекомбиназ — таким образом, клетки начинали светиться в присутствии либо одного, либо другого входного сигнала. Для реализации операции AND перед геном ставили два выключателя с последовательностями для одной и второй рекомбиназ, то есть клетки начинали светиться только в присутствии обоих входных сигналов.

Кроме того, авторы работы реализовали другие, более сложные операции, к примеру, активация в присутствии одного из сигналов, но не обоих сразу (оператор NAND). По их словам, это приближает ученых к созданию ячеек памяти на основе живых клеток, так как экспрессия генов в такой модели является постоянной и после активации не зависит от внешних условий, в отличие от естественной клеточной регуляции. Кроме того, дополнительные способы управлять свойствами растительных клеток могут пригодиться в биотехнологии для создания сортов с заданными свойствами.

Второй подход, который можно применить в клетках эукариот для направленного изменения экспрессии генов — использование искусственных факторов транскрипции. При помощи этих белков ученым из Стэнфордского Университета удалось управлять ростом корней у Arabidopsis.