«Жизнью управляют основанные на ДНК схемы, и они подобны схемам, найденным в электронных устройствах как смартфоны и компьютеры», сказал биоинженер Райса Джеффри Тэбор, ведущий исследователь на проекте. «Существенное различие – то, что инженеры-электрики измеряют сигналы, текущие в и из электронных схем как напряжение, тогда как биоинженеры измеряют генетические сигналы схемы как включающие и выключающие гены».В новой газете, кажущейся онлайн сегодня в журнале Nature Methods, Тамбурин и коллеги, включая аспиранта и ведущего автора Эвана Олсона, описывают новый, крайний метод высокой точности для создания и измерения сигналов экспрессии гена у бактерий, объединяя ощущающие свет белки от фотосинтетических морских водорослей с простым множеством красных и зеленых светодиодов и стандартных флуоресцентных репортерных генов. Изменяя выбор времени и интенсивность огней, исследователи смогли управлять точно, когда и насколько были выражены различные гены.
«Свет предоставляет нам сильный новый метод для того, чтобы достоверно измерить генетическую деятельность схемы», сказали Тамбурин, доцент биоинженерии, который также преподает в программе доктора философии Риса в системах, синтетической и физической биологии. «Наша работа была вдохновлена методами, которые используются, чтобы изучить электронные схемы. У инженеров-электриков есть инструменты как осциллографы и генераторы функции, которые позволяют им иметь размеры, как напряжение сигнализирует о потоке через электрические схемы.
Те измерения важны для того, чтобы заставить многократные схемы сотрудничать правильно, так, чтобы могли быть построены более сложные устройства. Мы использовали наши основанные на свете инструменты в качестве биологического генератора функции и осциллографа, чтобы так же проанализировать генетические схемы».
Электронные схемы – как те в компьютерах, смартфонах и других устройствах – составлены из компонентов как транзисторы, конденсаторы и диоды, которые связаны с проводами. Когда информация – в форме напряжения – течет через схему, компоненты реагируют на него.
Помещая правильные компоненты в правильном порядке, инженеры могут построить схемы, которые выполняют вычисления и выполняют сложную обработку информации.Генетические схемы также обрабатывают информацию. Их компоненты – сегменты ДНК, которые управляют, выражен ли ген.
Экспрессия гена – процесс, в котором ДНК прочитана и преобразована, чтобы произвести продукт – такой как белок – который служит конкретной цели в клетке. Если гена не «выражают», он выключен, и его продукт не произведен. У бактерий, используемых в исследовании Тамбурина, есть приблизительно 4 000 генов, в то время как у людей есть приблизительно 20 000.
Процессы жизни скоординированы различными комбинациями и временем включающих и выключающих генов.Каждый компонент генетической схемы действует на вход, который он получает – который может быть одним или несколькими продуктами экспрессии гена от других компонентов – и производит ее собственный продукт экспрессии гена как продукцию.
Соединяя правильные генетические компоненты, синтетические биологи как Тамбурин и его студенты строят генетические схемы что клетки программы, чтобы выполнить сложные функции, такие как подсчет, наличие памяти, превращение в ткани или диагностирование подписей болезни в теле.Например, в предыдущем исследовании, Тамбурин и коллеги проектировали генетические схемы, которые позволили бактериям изменять свой цвет на основе поступающего света.
Техника позволила команде создавать бактериальные колонии в чашках Петри, которые могли вести себя как фотобумага и воспроизвести черно-белые изображения.В новом исследовании Тамбурин и Олсон поняли, что свет мог использоваться, чтобы создать изменяющие время сигналы экспрессии гена что взлет и падение, подобный используемым в электронике.«В электронике два из ключевых инструментов – генераторы функции и осциллографы», сказал Олсон, аспирант в прикладной физике. «Генератор функции посылает известный сигнал в характеризуемую схему.
Осциллограф – устройство с экраном что использование инженера, чтобы видеть продукцию схемы. Крутя кнопки на генераторе функции и рассматривая соответствующую продукцию на осциллографе, инженер может вывести то, что делают различные части схемы.«Система флуоресцентных репортерных генов – наша версия осциллографа», сказал он. «Это позволяет нам рассмотреть и вход и выход схемы, и потому что это использует свет, чтобы сообщить о том, что происходит, это обеспечивает очень чистый сигнал».
С их «bioscilloscope» в руке команде был нужен соответствующий генератор функции. Олсон, ведущий автор статьи Методов Природы, поместил свои навыки электроники, чтобы работать в конце 2011 года и изобрел «легкое множество трубы», программируемое, восемь восемью набор светодиодов, которые будут соответствовать под стандартными 64 – хорошо поднос пробирок.
С добавлением небольшого количества блокирующей свет пены вокруг каждой пробирки у команды был способ послать индивидуально запрограммированные световые сигналы в каждую пробирку во множестве. Изменяя сигналы и измеряя соответствующую продукцию с их bioscilliscope, команда смогла определить точно, как ее испытательная схема выступила.«Точность света позволяет нам создавать исключительно чистые сигналы экспрессии гена, которые мы можем использовать, чтобы извлечь намного больше информации о генных схемах, чем было возможно прежде», сказал Тэбор.
«Мы нашли, что была семиминутная задержка между входом экспрессии гена и выходом из генетической схемы», сказал Олсон. «Мы также нашли, что могли программировать схему, чтобы следовать за определенными образцами. Например, чтобы повыситься определенной суммой в течение количества времени набора, остановите и останьтесь на другом уровне в течение предопределенного отрезка времени и затем опуститесь к третьему уровню для другого интервала времени».Олсон сказал, что легкое множество трубы и bioscilliscope будут полезными инструментами для биологов, чтобы исследовать, как камеры природы работают, а также на синтетических биологов, которые хотят построить и проанализировать их собственные схемы и сети.
«Это действительно о наличии чистого входного сигнала, чистого выходного сигнала и инструментов, требуемых измерить их», сказал Олсон.Тэбор добавил, «Вы просто никогда не видите данные, которые это чистит в биологии.
Это замечательно».Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Офисом Военно-морского Исследования и НАСА.
Среди соавторов исследования аспиранты биоинженерии Лукас Хартсо и Брайан Ландри и бывший студент Рэгэв Шрофф.Видео: http://www.youtube.com/watch?v=74m-wJfaFHA