_ Dincolo de celule: Dezvăluire potențialul circuitelor genetice pe molecule de ADN individuale

Într-un nou studiu Nature Communications, cercetătorii au explorat construcția de circuite genetice pe molecule de ADN unice, demonstrând sinteza proteinelor localizate ca principiu călăuzitor pentru nanodispozitivele disipative, oferind perspective. în proiectarea celulelor artificiale și în aplicațiile nanobiotehnologiei.

Termenul „circuit genetic” este o descriere metaforică a rețelei complexe de elemente genetice (cum ar fi gene, promotori și proteine ​​​​de reglare) din interiorul unei celule care interacționează pentru a controla expresia genelor și funcțiile celulare.

În domeniul proiectării celulelor artificiale, oamenii de știință își propun să reproducă și să creeze aceste circuite genetice pentru a crea unități funcționale, autonome. Aceste circuite acționează ca mașinăria moleculară responsabilă pentru orchestrarea proceselor celulare prin reglarea precisă a producției de proteine ​​și alte molecule.

Prin înțelegerea și manipularea acestor circuite, cercetătorii pot proiecta celule artificiale cu comportamente programabile, mimând funcționalitățile celule naturale.

În contextul studiului menționat, accentul este pus pe construirea de circuite genetice pe molecule de ADN individuale. Aceasta reprezintă o abordare nouă, deoarece se îndepărtează de contextul celular tradițional și explorează posibilitatea de a crea circuite genetice în condiții fără celule.

Primul autor, dr. Ferdinand Greiss de la Institutul de Științe Weizmann din Israel a explicat motivația cercetătorilor către Phys.org: „Încercăm să reconstituim procesele biologice în afara circuitelor complexe ale celulelor vii, sperăm că ne îmbunătățim înțelegerea principiilor directoare ale naturii. Cercetarea este îndreptată spre construirea de viitoare celule artificiale și molecule de ADN unice. ar putea fi fundamentul genetic pentru astfel de.”

Reglarea genelor este procesul prin care celulele controlează expresia genelor, determinând când și în ce măsură informațiile unei gene sunt utilizate în sinteza moleculelor funcționale precum proteinele sau ARN. Joacă un rol crucial în menținerea funcțiilor celulare, în răspunsul la schimbările de mediu și în asigurarea dezvoltării adecvate.

Reglarea expresiei genelor implică transcripția și traducerea. În timpul transcripției, un segment specific de ADN servește ca matriță pentru sinteza moleculelor de ARNm complementare de către ARN polimerază. Acest ARNm transportă codul genetic de la nucleu la citoplasmă, unde are loc traducerea.

Traducerea implică conversia ARNm în proteine. Ribozomii citesc secvența ARNm, facilitând asamblarea aminoacizilor într-un lanț polipeptidic, formând proteina codificată de genă.

„În sistemele procariote, procesele de transcripție și translație sunt cuplate. Aceasta înseamnă că odată ce ARN polimeraza produce ARNm din ADN, ribozomul poate găsi locul de legare ribozomal pe ARNm în curs de dezvoltare pentru a începe sintetizarea proteinei. Proteina în curs de dezvoltare se poate plia și funcționa în timp ce este încă legată de ADN de către complexul ARN polimerază-ARNm-ribozom. După terminare fie de transcripție, fie de traducere, proteina în curs de dezvoltare cade de pe ADN și se dispersează în soluția în vrac”, a explicat coautorul Dr. Shirley Shulman Daube de la Institutul de Știință Weizmann din Israel.

Semnificația constă în concentrația locală crescută a proteinelor în curs de dezvoltare, care este de aproximativ 1.000 de ori mai mare decât soluția în vrac din jur. Această organizare spațială și creșterea concentrației ar putea avea implicații pentru funcțiile celulare și ar putea juca un rol în construcția de celule artificiale folosind molecule de ADN unice.

„Circuitele genetice se bazează pe molecule codificate genetic, cum ar fi factorii de transcripție, care sunt produși din ADN și se leagă înapoi la ADN pentru a regla producția proprie și a altor molecule”, a spus co-autorul Dr. Vincent Noireaux de la Universitatea din Minnesota.

Pentru a construi circuitul genetic pe o singură moleculă de ADN, cercetătorii au proiectat secvențe specifice cu gene bacteriofage lambda (E. coli).

Genetica circuitul a implicat o cascadă negativă, ghidată de gena represoare CI și locul său de legare a operatorului, controlând complex gena HT. Această genă HT a codificat proteina HaloTag (HT), un element crucial pentru vizualizarea proteinelor în curs de dezvoltare pe moleculele individuale de ADN.

Studiul a implementat condiții stricte, inclusiv densitate scăzută a suprafeței ADN, pentru a asigura sinteza precisă a proteinelor localizate.

Simultan, s-a desfășurat o cascadă pozitivă odată cu fuziunea ARN polimerazei bacteriofagului T7 (HT-T7 RNAP) și a proteinei HT, permițând monitorizarea în timp real a expresiei genelor printr-o genă reporter în aval, GFP.

Un colorant fluorogen cu roșu îndepărtat (MaP655-Halo) a îmbunătățit detectarea proteinelor în curs de dezvoltare, oferind o imagine cuprinzătoare a dinamicii circuitului genetic.

Cascada negativă, sau suprimarea, reglează și inhibă. producerea de proteine ​​specifice în anumite condiţii. Pe de altă parte, cascadele pozitive contribuie la activarea și exprimarea unor gene specifice în circuitul genetic.

Cercetarea a mers dincolo de simpla observație, încorporând un circuit de feedback cu un represor sintetic dCro. Această componentă a fost crucială în reglarea expresiei genelor printr-un promotor sintetic proiectat meticulos.

Cercetătorii au descoperit că sinteza proteinelor localizată pe o singură moleculă de ADN poate conduce circuite genetice în condiții fără celule, fără limitarea compartimentelor celulare. Dinamica circuitelor genetice a fost observată cu meticulozitate în condiții foarte diluate.

Autorul principal, Dr. Roy Bar-Ziv de la Institutul de Știință Weizmann din Israel a subliniat semnificația descoperirilor lor: „Reglarea expresiei genelor depinde asupra proteinelor care se leagă de ADN, blocând sau crescând activitatea unei gene.Legarea necesită concentrații mari de proteine ​​pentru a găsi și lega secvențe specifice pe molecula de ADN.În mod neașteptat, constatăm că sinteza proteinelor localizată poate crește tranzitoriu concentrația suficient de mult timp pentru proteinele să facă același lucru fără izolare celulară.”

În esență, descoperirea provoacă noțiunea convențională conform căreia concentrațiile mari sunt esențiale pentru reglarea genelor, introducând un aspect nou al sintezei localizate de proteine ​​ca mijloc de a influența circuitele genetice. în condiții fără celule.

Pentru lucrările viitoare, cercetătorii au în vedere utilizarea sintezei de proteine ​​localizate ca principiu ghid pentru a îmbunătăți funcționalitatea celulelor artificiale construite din molecule de ADN unice, abordând provocările la concentrații scăzute. Ei prevăd, de asemenea, potențiale aplicații în nanodispozitivele autocodificate și intenționează să exploreze corelațiile dintre structura ADN-ului, dinamica expresiei genelor și sinteza proteinelor.

Cercetarea a implicat și contribuții din partea lui Nicolas Lardon cu prof. Kai Johnsson de la MPI. pentru Cercetare Medicală, care a dezvoltat colorantul fluorogenic (MaP655-Halo); Yoav Barak, care a ajutat la optimizarea pregătirii ADN-ului; și Leonie Schütz cu Prof. Elmar Weinhold, care a fost pionier în dezvoltarea metiltransferazelor pentru modificări ale ADN-ului specifice locului cu biotine.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)