מהנדסים גנטיים יכולים לתכנן ולהרכיב מעגלי גנים מתוחכמים כדי לתכנת תאים עם פונקציות חדשות, אבל מולקולות איתות חשובות יכולות להתדלדל ככל שתאים אלה גדלים ומתחלקים, מה שגורם למעגלי הגנים הסינתטיים לאבד את הפונקציות החדשות שלהם.
Xiaojun Tian, פרופסור חבר בבית הספר להנדסת מערכות ביולוגיות ובריאות, חלק מבתי הספר להנדסה Ira A. Fulton באוניברסיטת אריזונה סטייט, וצוותו גילו דרך להגן על התוכניות הגנטיות השבריריות הללו באמצעות עיקרון שהושאל היישר מהטבע.
הפרויקט מופעל על ידי מומחיות בין-תחומית בביולוגיה סינתטית, מודלים והנדסה מטבולית, כפי שסופק על ידי דיוויד נילסן, פרופסור להנדסה כימית בבית הספר להנדסה של חומר, תחבורה ואנרגיה, חלק מבתי הספר של פולטון ב-ASU, ו-Wenwei Zheng, פרופסור חבר לכימיה בבית הספר למדעים שימושיים ואמנויות, גם חלק מבתי הספר של ASU.
במאמר חדש שפורסם ב תָאהחוקרים תיארו טכניקה שיכולה לייצב מעגלי גנים סינתטיים על ידי יצירת תאים קטנים דמויי טיפות בתוך תאים באמצעות תהליך הנקרא הפרדת פאזות נוזל-נוזל.
טיפות מיקרוסקופיות אלו, הנקראות עיבוי תעתיק, פועלות כמו אזורים בטוחים מולקולריים סביב גנים מרכזיים, ומסנות על שינויים מהונדסים סינתטיים מפני נשטף בגאות של צמיחת תאים.
"כשאנחנו מנסים לתכנת תאים לביצוע משימות שימושיות, כמו אבחון או ייצור טיפולי, התוכניות הגנטיות נכשלות לעתים קרובות מכיוון שצמיחת התאים מדללת את מולקולות המפתח הדרושות כדי לשמור על פעילותם", אומר טיאן.
התמודדנו עם האתגר הזה על ידי שימוש באסטרטגיה של התא עצמו של הפרדת פאזות כדי להגן על מערכות מהונדסות".
שיאוג'ון טיאן, אוניברסיטת אריזונה
בהשאלה מספר המשחקים של הטבע
תאים משתמשים בהפרדת פאזות כדי לארגן את הסביבה הפנימית שלהם, ויוצרים תאים לתגובות ביוכימיות חיוניות ללא שימוש בממברנות. הצוות של טיאן הבין שעל ידי הנדסת קונדנסטים דומים סביב גנים סינתטיים, הם יכולים לחקות את הארגון הטבעי הזה ולשמור על יציבות גנטית לאורך דורות תאים שונים.
"גילינו שעל ידי יצירת טיפות זעירות הנקראות עיבוי שעתוק סביב גנים, אנו יכולים להגן על תוכניות גנטיות ולשמור עליהן יציבות גם כשהתאים גדלים", אומר ג'נג. "זהו פתרון פיזי פשוט שמונע דילול ושומר על מעגלים פועלים בצורה אמינה".
גישה זו מייצגת שינוי משמעותי מאסטרטגיות מסורתיות בביולוגיה סינתטית, אשר התמקדו במידה רבה בכוונון רצפי DNA או לולאות משוב רגולטוריות כדי לשמור על תפקוד מערכות מהונדסות.
במקום מערכות בקרה מורכבות יותר, הצוות של טיאן הציג עיקרון עיצוב פיזי הממנף את הארגון המרחבי הקיים של מולקולות בתוך תאים.
עיצוב חדש לייצוב עצמי של תאים ניתנים לתכנות
בעוד שתאים טבעיים התפתחו לשימוש בקונדנסטים כמערכת הגנה מובנית לוויסות פעילות מעגל הגנים, מחקר זה הוא בין הראשונים להראות כיצד ניתן לייצב תוכניות סינתטיות מחדש.
"תאים כבר משתמשים בטיפות האלה כדי לווסת את עצמם", אומר טיאן. "אנחנו רותמים כעת את אותה אסטרטגיה לביולוגיה סינתטית."
אימוץ מתודולוגיה זו עשוי לסייע לחוקרים לבנות מערכות ביולוגיות אמינות יותר, השומרות על פונקציות צפויות ופרודוקטיביות.
"זה פותח דרך חדשה לבנות מערכות חיים אמינות יותר, ממפעלי תאים יציבים ועד ליישומים רפואיים עתידיים", אומר טיאן. "האסטרטגיה שלנו יכולה להפוך לעקרון עיצוב חדש עבור חוקרים שצריכים שהתאים המהונדסים שלהם יעבדו באופן עקבי."
תמונות שצולמו במיקרוסקופ מהמחקר מראות צבירים בהירים וזוהרים של עיבוי תעתיק בתוך תאים, המשמשים כהוכחה חזותית לכך שטיפות יכולות להיווצר בדיוק היכן שצריך כדי לייצב את פעילות הגנים.
"זה מרגש לראות כיצד ניתן להשתמש בטיפות אלה כדי להגביר את התשואות של הייצור הביולוגי," אומר נילסן. "שיתוף פעולה מסוג זה מגשר בין תובנות ביולוגיות בסיסיות עם יישומים אמיתיים של הנדסה מטבולית."
יצירת יציבות באמצעות שיתוף פעולה
הקבוצה של טיאן כבר בוחנת כיצד להנדס סוגים שונים של קונדנסטים כדי לשלוט בגנים שונים, ולהפוך אותם למעשה לרכזות בקרה הניתנות לתכנות בתוך תאים.
"אנחנו רוצים לתכנת קונדנסטים שונים כדי לשלוט בגנים שונים, וליצור תאים חכמים שיכולים להסתגל ולתפקד לטווח ארוך", הוא אומר. "אנחנו לומדים איך לעצב עם התא, לא נגדו".
גישה זו לעיצוב בהתאם לטבע במקום לנסות לעקוף אותו מהווה נקודת מפנה מרכזית בתחום. השלב הבא הוא להדגים את היישומים של הטכניקה ליישומים מגוונים יותר כדי לקבוע חוסן ומדרגיות, אם כי חוקרים לא רואים מחסור ביישומים פוטנציאליים.
"חוקרים בביולוגיה סינתטית שנאבקים במעגלים לא יציבים יראו בכך דרך חדשה להפוך את המערכות שלהם לאמינות יותר", אומר ג'נג. "מהנדסי ביו-תהליכים שרוצים תשואה עקבית יכולים גם להשתמש בזה. לביופיזיקאים כמוני, זה מרגש לראות עקרונות פיזיקליים כמו הפרדת פאזות הופכים לכלים הנדסיים מעשיים".
"עבודה זו משקפת כיוון חדש בביולוגיה סינתטית", אומר טיאן. "על ידי שימוש בעקרונות הארגון של התא עצמו, אנו יכולים לבנות מערכות שהן גם חזקות וגם יציבות מטבען."
