Les scientifiques de l'Université Rice ont créé une boîte à outils pour les biologistes synthétiques qui ont besoin d'ajuster avec précision les niveaux d'entrée et de sortie des circuits génétiques.

La recherche, qui est en ligne dans Nature Communications, est une aubaine pour les scientifiques de la vie qui conçoivent systématiquement des bactéries et d'autres organismes pour effectuer des tâches qu'ils ne feraient pas naturellement.

"Les probiotiques en sont un exemple, " a déclaré Matthew Bennett, professeur agrégé de biosciences à Rice et co-scientifique principal de la nouvelle étude. "Ce sont des bactéries intestinales bénéfiques qui sont essentielles pour la santé humaine, et de nombreux biologistes synthétiques cherchent des moyens de concevoir des probiotiques capables de diagnostiquer ou de combattre les maladies. De tels probiotiques modifiés seraient capables de produire des médicaments ou d'autres molécules complexes dans le corps humain pour lutter contre des maladies allant du cancer aux maladies inflammatoires de l'intestin. »

Produire des médicaments quand et où ils sont nécessaires dans le corps ouvrirait de nouvelles portes pour lutter contre les maladies, mais, Bennett a dit, les biologistes synthétiques ont eu du mal à concevoir des circuits suffisamment précis pour l'administration de médicaments.

"Les biologistes de synthèse doivent créer des gènes qui s'activent ou se désactivent en réponse à des signaux environnementaux, " dit-il. " Ceux-ci agissent comme des capteurs, permettant au probiotique de produire le médicament lorsque cela est nécessaire en fonction des signaux environnementaux. »

En utilisant la bactérie Escherichia coli, Bennett, étudiant diplômé Ye Chen, chercheurs postdoctoraux Joanne Ho et David Shis et collègues de l'Université de Houston, ont utilisé des blocs de construction moléculaires modulaires pour créer des promoteurs qui activent et désactivent les gènes autant que nécessaire.

Alors que les circuits génétiques sont comme les circuits électriques à certains égards, les interrupteurs pour les allumer et les éteindre sont beaucoup plus compliqués. Par eux-mêmes, les gènes ne peuvent pas fabriquer les protéines qu'ils codent. Au lieu, des enzymes spécialisées lisent les gènes et éliminent les protéines en fonction de ce qu'elles lisent. Les promoteurs de gènes sont un autre spécialiste de ce processus.

"Un promoteur pilote un gène, " Bennett a déclaré. "Il initie le décodage et détermine quand le gène est activé ou désactivé.

"Les biologistes de synthèse ont conçu des régions promotrices pour répondre à différents signaux chimiques, mais nous avons été coincés avec ce que la nature nous a donné, " at-il dit. " Un promoteur naturel qui répond à un produit chimique pourrait ne pas bien se comporter lorsqu'il est utilisé dans un circuit génétique synthétique. Cela pourrait ne pas activer ou désactiver le gène cible autant que nous le souhaiterions. Si une bactérie veut détecter un signal chimique particulier, il activera ou désactivera un gène selon ses besoins. Cela pourrait l'allumer un peu, ou cela pourrait l'allumer beaucoup. Avant, nous n'avions pas beaucoup de contrôle là-dessus."

En outre, Bennett a dit, de nombreux promoteurs sont « fuyants » dans le sens où même lorsqu'ils désactivent un gène, celui-ci produit encore de petites quantités de protéines.

"Il y a des raisons évolutives pour lesquelles des fuites peuvent survenir dans la nature, mais quand vous concevez un circuit, vous avez besoin de plus de précision, " il a dit.

Les promoteurs sont des régions d'ADN qui font partie de la ligne d'adresse et du manuel d'instructions. Ils indiquent non seulement aux protéines de transcription où commencer à lire un gène, mais ils régulent également la force avec laquelle le gène est activé, s'il produit beaucoup ou peu de protéines. En utilisant une approche modulaire, L'équipe de Bennett a développé un schéma de conception pour créer des promoteurs sans fuite qui s'activent autant que nécessaire.

Krešimir Josić, mathématiciens de l'Université de Houston, Chinmaya Gupta et William Ott ont calculé certaines des propriétés spécifiques qui seraient nécessaires pour chaque bloc de construction et ont travaillé avec les membres de l'équipe Rice qui ont conçu, créé et testé dans E. coli. Divers blocs ont été mélangés et appariés pour former une bibliothèque de promoteurs, dont chacun a été conçu pour réagir d'une manière spécifique à un ou plusieurs intrants chimiques.

Par exemple, dans un circuit génétique, un gène peut être programmé pour s'allumer lorsqu'il reçoit un signal spécifique, et le produit de ce gène peut être une petite molécule de protéine qui à son tour active ou désactive un autre gène. En enchaînant des ensembles entiers de ces gènes, les biologistes synthétiques peuvent construire des circuits complexes.

"Cette capacité est essentielle pour construire des circuits de régulation des gènes synthétiques qui nécessitent des relations d'entrée et de sortie précises, " Bennett et ses collègues ont écrit dans leur article Nature Communications. " Cet article fournit un des moyens rentables d'ingénierie des promoteurs qui fournissent des plages dynamiques définies par l'utilisateur, qui permettra d'affiner le flux métabolique au sein des circuits biologiques et chimiques synthétiques à l'intérieur des cellules vivantes."

Bennett a déclaré qu'un autre élément clé du projet consistait à concevoir des promoteurs qui ne pouvaient être activés qu'en présence de deux ou plusieurs indices.

"La nature ne nous donne que quelques exemples de promoteurs qui utilisent des intrants multiples, donc la conception non-fuite, des promoteurs multi-entrées faciles à utiliser était une priorité pour nous, " il a dit.