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Biologists Design a Plug-and-Play Controller for Gene Expression
UT System Collaboration Yields Modular Method for Altering Cellular Responses

从两个美国德州大学系统机构的研究人员设计的,可重新连接基因反应途径的生物成分,创造了具有广泛的潜在应用设计新的细胞行为的模板。

左起:达拉斯德州博士生鲜丽江,博士。 faruck morcos,在达拉斯德州生物科学助理教授,博士和陈锦荣,在UT泰勒生物学和生物化学助理教授创建用于在细胞中改变基因表达的方法一起工作。

Dr. Faruck Morcos of The University of Texas at Dallas and Dr. Clement Chan of UT Tyler have collaborated on modular versions of repressors — the proteins that block genetic instructions.

In a paper recently published in Nucleic Acids Research,他们提出了一个新的战略,以创建活细胞可通过报告蛋白检测多个信号。他们的工作,这在医疗诊断潜在的应用,从跨学科领域的起源称为合成生物学。

“The goal of synthetic biology is to use existing biological systems to develop solutions for problems,” said Morcos, an assistant professor of biological sciences at UT Dallas. “It’s an engineering approach to biology.”

该研究小组的目标是建立一个将居住在病人的身体和检测各种症状诊断的细胞。症状消退后,该工程化的细胞可以同时响应于特定的“复位”信号,使得如果症状再次出现他们可以监控关闭。

这些活的诊断是基于蜂窝式机械调节基因表达的发展。在活细胞中,基因持有用于制造执行各种处理的蛋白质的指令。这些指令是用一种称为转录过程复制。来自环境或其他小区的信号激活这些复印机。的DNA的片段,其中绞合转录开始被称为启动子。

在某些情况下,阻遏剂可以连接到一个启动子,被复制阻断基因区段和覆盖它的指令。由于在其中已经发生演变方式,每个阻遏是在目的非常特定的。

“特定基因中的一个特定的信号控制是否得到表达,”议员,生物学和生物化学的德州泰勒的助理教授说。 “这些相互作用,以便个体化,它已经难以设计一种工具,或者使用由多个启动子一个信号来控制基因表达或使用多个信号来控制相同的启动子。这个刚性带来创造新的细胞行为的一大挑战“。

研究小组设计的阻遏来解决这个问题。它们的合成阻抑分子由用于信号检测和启动子识别不同的,模块化的蛋白区段可以被分离并用其他阻遏段重新组合的。像一个通用遥控器,可以发送各种信号到多个设备,交换段改变了将被阻止的目标。

我们的算法找到的东西,这些相关的蛋白片段的共同点,已经通过进化微调功能。这些特征表明兼容性得分。这是该研究的第一阶段 - 建立这种的是,据我们所知,以前从来没有建成的生物电路。

Dr. Faruck Morcos, assistant professor of biological sciences at UT Dallas

但随机配对的蛋白质片段会像试图使用遥控器上的硬件所有厂商 - 兼容性是不确定的,虽然你的电视更可能比你的微波响应。因此研究人员开发了一个计算机模拟程序来预测哪些配对应该是卓有成效的。

“Some of our hybrid repressors were more functional than others,” Morcos said, “so we set out to understand the molecular basis of compatibility.”

“If we can figure out why certain pairings aren’t compatible, we could learn how to modify them to make them work,” Chan added.

The team can predict with 87% accuracy whether a promoter-signaler pairing will work.

“我们的算法找到的东西,这些相关的蛋白片段的共同点,已通过功能进化微调。这些特征表明兼容性得分,” morcos说。 “这是该研究的第一阶段 - 建立这种生物电路的是,据我们所知,以前从来没有建造”

正在使用的组阻遏蛋白,称为LACI家庭,拥有超过70,000已知的变化 - 但只有少数进行了表征。这阻遏家族的选择是因为在合成生物学其频繁使用和由于先前的研究中涉及瓒确定了其独特的信号检测和启动子识别模块。

“LacI family members are used across many species to control gene expression by sensing signals within the cell and in the environment,” Morcos said.

达拉斯德州博士生贤江率领的计算工作量建模模块的兼容性,而雷伊页。迪马斯,在陈的实验室技术员谁加入了这个项目,而在UT泰勒本科,建设和实验测试这些杂种工作。

“We don’t know the signals that each Lacl family member can detect,” Morcos said. “So we are creating a library of interactions, and as more of these LacI repressors are characterized, our knowledge base grows.”

Jiang explained the library’s usefulness with an example of a researcher who has chosen a gene to repress, and knows its promoter.

“This library is a tool for all researchers,” Jiang said. “They can use our compatibility model to predict if any proteins they engineer will block transcription or not. Or they can use the protein segments we’ve already designed.”

The second stage of the study demonstrated how this technique could engineer the behavior of a cell for beneficial purposes: living diagnostic cells that can measure multiple physiological parameters.

该系统将采用什么样的研究人员描述为“拨动开关”,以表明它已经收到一个信号,一个积极的结果 - 高血糖等。则开关会发出指令以接通荧光灯。

“The switch controls the expression of a fluorescent reporter gene,” Chan said. “We can build multiples of these switches, one for each parameter — presence of a pathogen, blood glucose level, whatever.”

Such a system also would use a “master reset” signal to shut off all the lights so another reading can be taken later.

“In a home alarm system, multiple signals trigger different alarms — at the front door, a window, the garage, and so on,” Morcos said. “Each alarm can turn on independently, but from your control panel, one code will turn everything off.”

This ongoing project is supported in part by a National Science Foundation grant (奖#1914538),以及援助得克萨斯系统冉冉升起的新星(科学技术获取和保留)计划和韦尔奇基金会的大学。何塞·阿尔维托·拉巴斯,博士生在法国理工学院,也是论文的作者。

Media Contact: The Office of Media Relations, UT Dallas, (972) 883-2155, [email protected].