Narzędzia do elektronicznej kontroli ekspresji genów

Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Science Advances” (https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abm5091).

Jak podkreślają twórcy innowacyjnego rozwiązania, może być ono wykorzystywane w kontrolowaniu pracy implantów biomedycznych w ciele lub modulacji przebiegu reakcji w bioreaktorach - wielkich urządzeniach (nierzadko rozmiarów budynku) umożliwiających prowadzenie procesów mikrobiologicznych, enzymatycznych, hodowli komórkowych itp., a służących do wytwarzania leków i innych przydatnych związków chemicznych.

Obecnie wykorzystywane do inicjowania reakcji w tego typu urządzeniach bodźce często nie są w stanie przeniknąć do materiałów lub stwarzają ryzyko toksyczności. Rozwiązaniem jest … elektryczność.

Ekspresja genów to proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genach zostaje „aktywowana”, czyli odczytana i przepisana w celu wytworzenia nowych cząsteczek: białek lub różnych form RNA. Cząsteczki te powodują zaś dalsze efekty w komórkach. Sygnałem do rozpoczęcia ekspresji jest przyłączenie się enzymu zwanego polimerazą RNA do tzw. promotora genu, czyli fragmentu DNA położonego zazwyczaj tuż przed początkiem genu.

Od jakiegoś czasu wiadomo, że niektóre promotory, zwane indukowalnymi, mogą reagować na różne bodźce, np. światło, chemikalia czy temperaturę. Niedawno okazało się, że być może także elektrony są w stanie wywołać w nich podobny efekt.

„Wykorzystanie elektryczności do kontrolowania ekspresji genów otworzyło zupełnie nową dziedzinę badań. I chociaż pewne systemy elektrogenetyczne zostały już wcześniej zidentyfikowane, to brakowało im precyzji, co mocno ograniczało ich zastosowanie. Nasz nowy system, jako pierwszy na świecie, pozwala uzyskać pożądaną dokładność przy użyciu bodźców elektrycznych w organizmach bakterii” - podkreśla współautor publikacji dr Joshua Lawrence.

Jak mówi, głównym problemem biologii syntetycznej jest to, że trudno jest kontrolować systemy biologiczne w taki sposób, w jaki kontrolujemy te sztuczne. „Jeśli chcemy, aby komórka wyprodukowała określoną substancję chemiczną w określonym czasie, nie możemy po prostu zmienić ustawień na komputerze; musimy dodać jakąś substancję chemiczną lub zmienić warunki oświetlenia - opowiada naukowiec. - Narzędzia, które stworzyliśmy w ramach omawianego projektu, pozwalają nam kontrolować ekspresję genów i zachowanie komórek za pomocą sygnałów elektrycznych, bez utraty wydajności całego tego procesu”.

„Mamy nadzieję, że poprzez dalszy rozwój tych narzędzi naprawdę będziemy w stanie kontrolować systemy biologiczne za pomocą jednego przycisku” - dodaje.

Dotychczas taka elektrycznie stymulowana ekspresja genów była trudna do przeprowadzenia w obecności tlenu, co dodatkowo utrudniało jej praktyczne wykorzystanie. Nowa metoda omija ten problem - można ją prowadzić w warunkach tlenowych, a to oznacza, że może być stosowana w różnych gatunkach bakterii i wykorzystywana np. do tworzenia implantów medycznych czy w procesach bioprzemysłowych. Jest też dość łatwa do modyfikacji - do konkretnych celów można ją dostosowywać poprzez zmianę potencjału elektrody.

Jeśli chodzi o wspomniane wyżej implanty biomedyczne, to - jak wyjaśniają badacze - praca tego typu struktur często kontrolowana jest przez bodźce. Pobudzają ją one do wytwarzania określonego leku lub hormonu bezpośrednio w organizmie. Jednak nie wszystkie bodźce się do tego nadają; np. światło nie jest w stanie przeniknąć do wnętrza ludzkiego ciała, z kolei substancje chemiczne często nie nadają się ze względu na swą toksyczność. Bodźce elektryczne są doskonałym rozwiązaniem - mogą być podawane za pomocą elektrod, co zapewnia ich bezpośrednią i bezpieczną podaż.

Podobne problemy napotykano w przypadku dużych bioreaktorów, które wykorzystuje się do produkcji chemikaliów, leków czy paliwa. Ich potężne rozmiary uniemożliwiają (lub mocno utrudniają) penetrację światłem, za to zasilanie ich induktorami chemicznymi jest bardzo kosztowne. Dostarczanie elektronów także tutaj okazuje się być optymalnym rozwiązaniem.

„Dzięki wielkiemu poświęceniu, latom pracy i wspaniałemu zespołowemu nasze początkowe marzenie urzeczywistniło się. Teraz realnie możemy wykorzystywać energię elektrycznej do kontrolowania losu komórek” - podkreśla dr Rodrigo Ledesma Amaro, lider grupy badawczej.

Jago zespół planuje obecnie opracowanie różnych promotorów, które będą indukować rozmaite czynniki indukujące ekspresję genów. Ich celem jest stworzenie systemu, w którym jednoczesne sygnały elektryczne będzie kontrolować działanie różnych genów niezależnie od siebie. Zbudowanie większej biblioteki indukowanych promotorów i odpowiednich czynników oznacza zaś, że system będzie można zaadaptować do stosowania u drożdży, roślin, a nawet zwierząt.(PAP)

Autorka: Katarzyna Czechowicz

kpa/ agt/