Les découvertes récentes de deux équipes de recherche des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'Arizona State University font progresser le domaine de la biologie synthétique.

Le professeur adjoint Xiaojun Tian et le professeur agrégé Xiao Wang ont mené une collaboration d'un an avec leurs groupes de laboratoire à la School of Biological and Health Systems Engineering, l'une des six écoles Fulton. Les résultats de leur nouvelle recherche sur les façons dont les circuits génétiques modifiés interagissent avec les cellules hôtes biologiques ont été publiés cette semaine dans la revue scientifique Nature Chimie Biologie .

La biologie synthétique applique des méthodes d'ingénierie pour concevoir de nouveaux réseaux biologiques ou reconcevoir des aspects de systèmes biologiques existants. C'est un domaine d'études en plein essor, et de nombreux progrès importants ont été réalisés au cours des 20 dernières années.

Les premiers travaux comprenaient la création de circuits de gènes synthétiques et leur placement dans des cellules hôtes naturelles.

"Mais le concept de circuit ici est abstrait, " dit Wang. " Imaginez une séquence de segments génétiques dans lesquels le premier code ou produit une protéine particulière. Cette protéine, à son tour, peut activer ou inhiber l'expression ou la production de protéines à partir d'un autre segment de la séquence génétique. Si vous continuez à développer cette idée, vous pouvez imaginer que c'est comme un réseau."

C'est cette chaîne d'influence ou d'incitation qui fonctionne comme un circuit, plutôt que les connexions physiques au sein de la séquence génétique. Cependant, les recherches précédentes se sont concentrées uniquement sur les comportements des circuits génétiques modifiés eux-mêmes, avec peu d'attention à l'arrière-plan ou au contexte représenté par les cellules hôtes.

"Il est difficile de prédire comment ces interactions affectent les fonctions des circuits génétiques modifiés, " Tian dit, "sans parler de la façon de les contrôler et de faire fonctionner les circuits comme vous le souhaitez dans un cadre compliqué, environnements réels."

En effet, ces circuits de gènes synthétiques ne fonctionnent généralement qu'en laboratoire, pas dans des conditions plus réalistes. Et cette limitation inhibe considérablement l'application de circuits génétiques modifiés en milieu clinique.

Cherchant à faire avancer le domaine dans cette direction pratique, la nouvelle recherche de Tian et Wang a exploré la relation entre les circuits de gènes synthétiques et leurs cellules hôtes. Spécifiquement, ils ont examiné l'impact des circuits "mémoire" implantés dans les cellules hôtes, et l'influence des "topologies" des circuits de gènes, " ou l'architecture des interconnexions entre les composants du circuit, en relation avec la croissance des cellules hôtes.

Dans le cadre de ce travail, l'idée de mémoire se rapporte à la poursuite de l'influence ou de l'incitation au sein d'un circuit génétique modifié, même en l'absence d'un stimulus.

"Pensez à un interrupteur dans votre maison, " dit Wang. " La lumière reste allumée même lorsque vous retirez votre doigt de l'interrupteur. Nous appelons cet état persistant la mémoire."

Les nouvelles recherches de Tian et Wang ont révélé que les topologies des circuits de mémoire sont considérablement influencées par le comportement de la cellule hôte.

"Nous avons vérifié que des influences sont échangées entre le circuit génique et la cellule hôte, " dit Tian. " C'est, le circuit impacte la cellule hôte, qui en retour a un impact sur le circuit. C'est comme une boucle.

"Mais nous avons également démontré que l'impact sur la fonctionnalité d'un circuit dépend de sa topologie, " dit-il. " Alors, une topologie de circuit affiche de meilleures performances que d'autres dans un environnement hôte dynamique."

Leur découverte reliant la topologie des circuits à l'impact d'une cellule hôte sur la fonction des circuits est une première dans le domaine de la biologie synthétique, et il élargit la compréhension scientifique significative de ces interactions complexes.

« Il ouvre la voie à la construction robuste, circuits génétiques modifiés, " dit Tian. " Ceux-ci pourraient un jour améliorer les interventions contre les métastases du cancer, par exemple, en ralentissant la capacité des cellules cancéreuses à traduire leur développement."

Les progrès de la recherche publiée par Tian et Wang incluent l'examen de l'impact de l'ajout de circuits ou de modules de gènes synthétiques supplémentaires dans les cellules hôtes, ce qui élève considérablement le niveau de complexité car les modules se disputent les ressources au sein du système cellulaire.

Wang dit que la School of Biological and Health Systems Engineering au sein des Fulton Schools est particulièrement bien placée pour les découvertes en biologie synthétique.

« Nous avons une masse critique de personnes dévouées qui sont stratégiquement investies dans l'avancement de ce domaine de recherche sur le long terme, " dit-il. " Alors, nous cherchons à être un leader dans ce domaine."