«Синтетические генные схемы часто – хрупкие, и изменения окружающей среды, часто изменяют их поведение», сказал Kreš imir Джозик, преподаватель математики в Колледже UH Естественных наук и Математики. «Наша работа сосредоточила на разработке генную схему, не затронутую изменением температуры».Синтетическая биология – область, в которой естественные биологические системы перепроектированы в различных целях, таких как производство биотоплива.
ММ и исследование Райса предназначался для бактерии E. coli.«В E. coli и других бактериях, если Вы увеличиваете температуру приблизительно на 10 градусов, темп биохимических реакций удвоится – и поэтому генетические часы убыстрятся», сказал Джозик. «Мы хотели создать синтетические генные часы, которые дают компенсацию за это увеличение темпа и держат точное время, независимо от температуры».ММ команда, во главе с Джозиком и Вильямом Оттом, доцентом математики, сотрудничала с лабораторией Мэтью Беннетта, доцента биохимии и цитобиологии в Rice.
Джозик, Беннетт и Отт сотрудничали на различных научно-исследовательских работах в течение трех лет. Команда также включала ММ постдокторанта Чинмую Гупту.По словам Беннетта, способность сохранять клеточные реакции точно рассчитанными, независимо от температуры, может быть ценной синтетическим биологам, которые хотят повторно программировать клеточные регулирующие механизмы для биотехнологии.Работа включила разработку ген в часах на плазмиду, маленький кусочек ДНК, которая вставлена в E. coli.
Мутация в гене имела эффект замедления часов, поскольку температура увеличилась.ММ исследователи создали математическую модель, чтобы оценить различные конструктивные особенности, которые будут необходимы в плазмиде, чтобы противодействовать изменению температуры. Гупта показал, что модель захватила механизмы, важные, чтобы дать компенсацию за температурно-зависимые изменения в темпах реакции.
Вычислительное моделирование подтвердило, что единственная мутация могла привести к генетическим часам со стабильным периодом через большой спектр температур – наблюдение, подтвержденное экспериментами в лаборатории Беннетта. Команда Джозика тогда подтвердила предсказания моделей, используя реальные данные.«Наличие механистической модели, которая позволяет Вам определять, какие особенности важны и который может быть проигнорирован для генетической схемы, чтобы вести себя конкретным способом, позволяет Вам более эффективно создавать схемы с желаемыми свойствами», сказал Гупта. «Это позволяет Вам концентрироваться на наиболее важных факторах, необходимых в дизайне».
«В течение этой работы мы использовали математические модели, чтобы узнать то, что важно в проектировании прочных синтетических генных схем», сказал Джозик. «Вычислительные и математические инструменты важны во всех типах разработки. Почему не для биологической разработки?»
Josic, Отт и исследование Беннетта финансируются Национальными Институтами Здоровья через совместный Национальный научный фонд / Национальный Институт Общих Медицинских наук Математическая Программа Биологии.