חוקרים מבית הספר להנדסה של UCLA Samueli ו- אוניברסיטת רומא טור ורגטה באיטליה פיתחה גנים סינתטיים שמתפקדים כמו הגנים בתאים חיים.
הגנים המלאכותיים יכולים לבנות מבנים תוך-תאיים באמצעות רצף מדורג שבונה מבנים המרכיבים את עצמם חלק אחר חלק. הגישה דומה לבניית רהיטים עם יחידות מודולריות, בדומה לאלו שנמצאות באיקאה. באמצעות אותם חלקים, אפשר לבנות הרבה דברים שונים וקל לפרק את הסט ולבנות מחדש את החלקים למשהו אחר. התגלית מציעה נתיב לשימוש בחבילה של אבני בניין פשוטות שניתן לתכנת לייצור חומרים ביו-מולקולריים מורכבים, כגון צינורות ננומטריים מאריחי DNA. ניתן גם לתכנת את אותם רכיבים כדי לשבור את העיצוב עבור חומרים שונים.
מחקר המחקר פורסם לאחרונה ב תקשורת טבע ובהובלת אליסה פרנקו, פרופסור להנדסת מכונות וחלל והנדסה ביולוגית ב-UCLA Samueli. דניאלה סורנטינו, פוסט-דוקטורט במעבדה למערכות חומצות גרעיניות דינמיות של פרנקו, היא המחברת הראשונה של המחקר.
העבודה שלנו מציעה דרך להגדיל את המורכבות של חומרים ביו-מולקולריים על ידי ניצול התזמון של הוראות מולקולריות להרכבה עצמית, במקום על ידי הגדלת מספר המולקולות הנושאות הוראות כאלה. זה מצביע על האפשרות המרגשת של יצירת חומרים נפרדים שיכולים "להתפתח" באופן ספונטני מאותה קבוצה סופית של חלקים פשוט על ידי חיווט מחדש של האלמנטים השולטים בסדר ההרכבה הזמני."
אליסה פרנקו, פרופסור להנדסת מכונות וחלל וביו-הנדסה, UCLA Samueli
אורגניזמים מורכבים מתפתחים מתא בודד על ידי חלוקה רציפה ואירועי התמיינות. תהליכים אלה כוללים ביומולקולות רבות המתואמות על ידי אשדות גנים המנחות את התזמון והמיקום של הפעלת הגנים. כאשר מתקבל אות מולקולרי, הוא מפעיל סדרה של גנים להרכיב בסדר מסוים, מה שמוביל לתגובה ביולוגית מסוימת. דוגמה ידועה בביולוגיה היא מפל הגנים השולט ביצירת מקטעי גוף בזבובי פירות. בתהליך זה, גנים מתוזמנים בצורה מושלמת להפעיל היווצרות של מקטעי גוף ספציפיים בסדר הנכון.
"היה לנו רעיון ליצור מחדש במעבדה מפלי גנים דומים, שבהתאם לתזמון הפעלת הגנים, יכולים לגרום להיווצרות, או פירוק, של חומרים סינתטיים", אמר מחבר שותף פרנצ'סו ריצ'י, פרופסור למדעי הכימיה ב- אוניברסיטת רומא טור ורגטה.
במחקרם השתמשו החוקרים באבני בניין של אריחי DNA שנוצרו על ידי כמה גדילי DNA סינתטיים. לאחר מכן הם יצרו פתרון המכיל מיליוני אריחים אלה, אשר קיימו אינטראקציה זה עם זה כדי ליצור מבנים צינוריים בקנה מידה מיקרוני. המבנים נוצרים רק בנוכחות מולקולת RNA ספציפית שמעוררת את ההיווצרות. מולקולת טריגר RNA שונה יכולה גם לגרום לפירוק של אותם מבנים.
לאחר מכן, הם תכנתו גנים סינתטיים שונים המייצרים את הטריגרים של ה-RNA בזמנים ספציפיים, כך שניתן לתזמן את היווצרות ופירוק מבני ה-DNA בדיוק בזמן.
על ידי חיבור הגנים הללו יחד, הם יצרו מפל גנטי סינתטי, הדומה לזה של זבוב פירות, שיכול לשלוט לא רק מתי סוג מסוים של מבני DNA נוצר או מתמוסס, אלא גם על תכונות ההרכב הספציפיות שלו בזמן נתון.
"הגישה שלנו אינה מוגבלת למבני DNA, ניתן להרחיב אותה לחומרים ומערכות אחרים המסתמכים על התזמון של אותות ביוכימיים", אמר סורנטינו. "על ידי תיאום האותות הללו, אנו יכולים להקצות פונקציות שונות לאותם רכיבים, ליצור חומרים המתפתחים באופן ספונטני מאותם חלקים. זה פותח התקדמות מסעירה בביולוגיה סינתטית וסוללת את הדרך ליישומים חדשים ברפואה וביוטכנולוגיה".
המחקר נתמך על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב, הקרן הלאומית למדע בארה"ב, מועצת המחקר האירופית, האגודה האיטלקית לחקר הסרטן, משרד האוניברסיטה והמחקר האיטלקי ותוכנית ההחלמה והחוסן הלאומית של איטליה -; אשר ממומן באמצעות חבילת התמריצים NextGenerationEU של האיחוד האירופי. סורנטינו מחזיקה במלגה הנתמכת על ידי האגודה האיטלקית לחקר הסרטן.
סימונה רנאלו, חוקרת מאוניברסיטת רומא טור ורגטה, היא גם מחברת המחקר.
