Avtonomni nadzor nad ekspresijo gena na nanoderke bo prispevala k zdravstveni oskrbi

Audi A8 - prikaz delovanja Audi AI pilota za avtonomno vožnjo v gostem prometu do hitrosti 60 km/h (Junij 2019).

Anonim

Genska ekspresija je temelj življenja, kjer vsaka celica vklopi in izklopi določene gene. Tako bi imela avtonomna naprava, ki bi lahko krmilila preklop na odklop, imela veliko vrednost pri zdravstveni oskrbi.

Sintetična genetska vezja so tehnologija za nadzor genovske ekspresije in programskih celic za izvajanje želenih funkcij. Zato bo večja kompleksnost genskega vezja nam omogočila bolj natančno nadzorovanje celičnih stanj.

Vendar kompleksnost genskih vezij ostaja nizka. To je zato, ker so v konvencionalnih sistemih za reakcijsko difuzijo encimi in substrati zagotovljeni ločeno, in nespecifična vezava encimov na substrate povzroča nenamerne preslušne med različnimi vezji.

Raziskovalci, ki jih vodijo Univerza v Osaki, so v skupnem raziskovalnem projektu z Univerzo v Tokiu, Univerzo Kjoto in Univerzo Waseda zgradili integrirane genske čipe, imenovane "gen nanochips". Z uporabo integriranih dejavnikov na nanochipsu lahko ti samostojni nanochips vklopijo in izključijo gene znotraj enega samega čipa, kar preprečuje nenamerno preslušavanje.

Raziskovalci so pokazali avtonomne odzive nanochipov v umetnih celicah: zaznavanje okolja, izračun informacij in proizvodnja izdelkov na ravni ene čipov. Njihovi rezultati raziskave so bili objavljeni v Nature Nanotechnology.

DNA nanotehnologija je vsestranski način, ki se uporablja za konstruiranje struktur po meri in za nadzor natančnih molekularnih postavitev. Raziskovalci so uporabili pravokotni list (širok 90 nm, globina 60 nm, visoka 2 nm) in integrirano encimsko, RNK polimerazo (RNAP, encim, ki sintetizira RNA iz vzorca DNA) in več substanc za ciljni gen.

Nano-sposobnost nanotehnologije DNA omogoča raziskovalcu, da racionalno oblikuje ravni ekspresije genov s spreminjanjem intermolekularnih razdalj med encimom in ciljnimi geni, s čimer vpliva na učinkovitost trčenja in nadaljnjo reakcijo.

Raziskovalci so dodatno integrirali senzorje. Idealno bi bilo, da ima senzor, ki lahko zazna kateri koli tip signala, minimalne omejitve pri oblikovanju. Vendar so običajne metode utrpele več omejitev (npr. Materiali). To je zato, ker je v običajnih genskih vezjih senzor del substrata encima (npr. DNA v transkripciji, glej opombo za podrobnosti).

Nasprotno, v tej študiji je bil senzorski del neodvisen od encimske reakcije. Tako lahko raziskovalci uporabljajo senzorske materiale, ki spremenijo efektivno intermolekularno razdaljo pri prepoznavanju signala, kar omogoča gradnjo različnih senzorjev, ki se odzivajo na različne signale (mikroRNA, kemične spojine, proteine ​​in svetlobo). Poleg tega so raziskovalci s kombiniranjem in integracijo senzorjev na različne signale uspeli fotoreprogramiranje genskih vezij.

Nazadnje, nanochip je omogočil raziskovalcem, da poenostavijo gradnjo genskega vezja, ki se je odzvalo na umetno celico, kapljico vode v olju, in lahko računajo svoj profil miRNA, s preprosto mešanjem ortogonalnih čipov, razširjanjem moči gensko vezje.

Odgovorni avtor Hisashi Tadakuma pravi: "Vsi dejavniki, ki so potrebni za reakcijo transkripcije, so na tem integriranem nanočipu, tako da se lahko okoljsko zaznavanje, izračun informacij in proizvodnja končajo na ravni ene čipke. V bližnji prihodnosti bodo avtonomni nanocipi uporabni vzdrževanje celice v zdravem stanju z nadzorovanjem izražanja genov prostorsko in časovno, kar bo vključevalo idejo izreka "preprečevanje je najboljše zdraviti". "

Idealno bi bilo, da ima senzor, ki lahko zazna kateri koli tip signala, minimalne omejitve pri oblikovanju. Vendar so običajne metode utrpele več omejitev (npr. Materiali). To je zato, ker v konvencionalnih genskih vezjih učinkovitost vezave med encimom, kot je RNAP (ključ) in ciljnim genom (ciljna ključavnica), zlasti promotorsko zaporedje na molekuli DNA, nadzirajo transkripcijski faktorji (regulatorji). Ker bi se regulatorji in encimi morali povezati s senzorjem (območje operaterja) blizu ciljne ključavnice, mora biti material senzorja substrat regulatorjev in encimov (npr. DNA v transkripciji), regulator pa mora biti DNA-vezavni beljakovine. Tako ima regulator (signal) in senzor materialne omejitve.

Vendar pa v tej študiji vezno frekvenco in nadaljnjo reakcijo nadzira (1) intermolekularna razdalja med encimom in ciljnim genom, in (2) značilnosti ključne verige (npr. Togost, dolžina). Senzorski del je torej neodvisen od encimske reakcije, senzor in regulator pa nima nobenih materialnih omejitev, kar omogoča različne senzorje, ki se odzivajo na različne signale (kemične spojine, beljakovine in svetlobo).

menu
menu