麻省理工学院工程师创建合成细胞以隔离遗传电路

来自麻省理工学院的工程师开发了一种孤立遗传性合成“电池内的遗传电路的方法，防止电路彼此破坏。

合成生物学允许科学家设计可以放置在细胞中的遗传电路，给予它们的新功能，例如生产药物或其他有用的分子。然而，随着这些电路变得更加复杂，遗传成分可以相互干扰，使得难以实现更复杂的功能。

MIT研究人员现在已经证明，这些电路可以分离在近在合成的“细胞中”，防止它们互相破坏。研究人员还可以控制这些细胞之间的通信，允许在特定时间组合的电路或其产品。

“这是一种具有多组分遗传级联的力量的一种方式，以及在它们之间构建墙壁的能力，因此它们不会有串扰。“如果他们全部放入单个细胞或烧杯，他们不会相互互相干扰，”在麻省理工学院的生物工程和大脑和认知科学副教授Edward Boyden说。Boyden也是MIT媒体实验室和麦戈尔恩大脑研究所的成员，以及Hhmi-Simons教师学者。

这种方法可以允许研究人员设计制造复杂产品的电路或充当传感器，这些传感器在其他应用中响应其环境变化的传感器。

Boyden是一篇文章的高级作者，描述了11月14日的自然化学问题。本文的牵头作者是前MIT Postdoc Kate Adamala，现在是明尼苏达大学助理教授，前麻省理工学院毕业生Daniel Martin-Alarcon。一位前麻省理工学院研究助理的Katriona Guthrie-Honea也是本文的作者。

电路控制

麻省理工学院团队在称为脂质体的液滴中封装了它们的遗传电路，其具有类似于细胞膜的脂肪膜。这些合成细胞不活跃，但配备有大部分读取DNA和制造蛋白所必需的细胞机制。

通过在自己的脂质体内进行分离电路，研究人员能够在同一时间内创建无法在同一容器中运行的单独电路子程序，但可以彼此并行运行，以受控方式进行通信。这种方法还允许科学家能够将相同的遗传工具（包括基因和转录因子）（包括转向或关闭基因的蛋白质），以便在网络中进行不同的任务。

“如果将电路分为两种不同的脂质体，则可以在一个脂质体中有一个工具在一个脂质体中做一个工作，并且在另一个脂质体中做出不同的工具，”马丁 - alarcon说。“它扩展了与同一构建块可以执行的事情数量。”

这种方法还可以实现来自不同类型生物的电路之间的沟通，例如细菌和哺乳动物。

作为一个示范，研究人员创造了一种使用细菌遗传症的电路，这些电路响应称为茶碱的分子，类似于咖啡因的药物。当存在该分子时，它触发了称为糖酸盐素的另一种分子以离开脂质体并进入含有哺乳动物遗传回路的另一组脂质体。在那些脂质体中，十二胞环素激活产生荧光素酶的遗传级联，该胰岛素酶产生光的蛋白质。

使用这种方法的修改版本，科学家们可以创造与脑细胞或其他细胞发出的特定分子感测到抗体之后产生生物治疗的电路以产生抗体。

“如果您认为细菌电路作为编码计算机程序，并且哺乳动物电路正在编码工厂，则可以将细菌电路的计算机代码与哺乳动物电路的工厂组合成独特的混合系统，”Boyden说。

研究人员还设计了可以以受控方式彼此融合的脂质体。为此，它们用蛋白质编程细胞，称为陷阱，其将自己插入细胞膜。在那里，它们与在其他脂质体的表面上发现的相应陷阱结合，使合成细胞熔断。可以控制这种融合的定时以使产生不同分子的脂质体。当细胞保险丝时，这些分子组合以产生最终产品。

更多的模块化

研究人员认为这种方法可以用于几乎任何申请，即合成生物学家已经在努力。它还可以允许科学家们在以前追求的潜在有用的应用程序，而是被遗弃，因为遗传电路彼此干涉。

“我们写论文的方式没有朝向一个应用程序，”Boyden说。“基本问题是：你能更加模块化这些电路吗？如果你有一切都在细胞中一起Mishmashed，但你发现电路不相容或有毒，然后将墙壁放在那些反应之间并给予他们互相通信的能力可能非常有用。“

Minnesota大学物理学副教授Vincent Noireaux将MIT方法描述为“一种学习生物系统如何工作的更加新颖的方法”。

“使用无细胞表达有几个优点：从技术上讲，工作减少到克隆（现在快速又简单），我们可以将信息处理链接到生物功能，如活细胞，我们在背景中没有发生其他基因表达，“没有涉及的Noireaux说在研究中。

这种方法的另一个可能的申请是帮助科学家探讨最早的细胞在数十年前可能发生的情况。通过工程简单的电路进入脂质体，研究人员可以研究细胞如何进化到感知他们的环境的能力，响应刺激和繁殖。

“该系统可用于模拟地球上最早的生物的行为和性质，以及帮助建立地球型寿命的物理边界，以便在太阳系及更远的其他地方寻找生活中的生活，”Adamala说。

出版物：Katarzyna P. Adamala等，“合成最小细胞内和合成最小细胞内部和之间的工程遗传循环相互作用”，“自然化学（2016）DOI：10.1038 / Nchem.2644