Биологический инструментарий для составления генетических программ в клетках млекопитающих может помочь создать новые методы лечения трудноизлечимых заболеваний.
Новый инструментарий синтетической биологии, разработанный в компании Northwestern Engineering, поможет исследователям проектировать клетки млекопитающих с новыми функциональными возможностями.
Инструментарий, называемый составными элементами транскрипции млекопитающих (COMET), включает в себя ансамбль синтетических факторов транскрипции и промоторов, которые позволяют разрабатывать и настраивать программы экспрессии генов таким образом, который ранее был невозможен. Результатом могут стать новые методы лечения таких трудноизлечимых заболеваний, как рак.
“Наша долгосрочная цель — дать возможность биоинженерам построить настраиваемые клеточные терапии, а для того, чтобы воплотить проектную цель в генетическую программу, требуются соответствующие биологические части. Создание этого инструментария для комет стало важным шагом на пути к тому, чтобы позволить нам по-настоящему проектировать новые функции в клетках млекопитающих”, — сказал Джош Леонард, доцент кафедры химической и биологической инженерии Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета, который возглавлял исследования. Он также является членом Северо-Западного Центра синтетической биологии.
Результаты исследования были опубликованы 7 февраля 2020 года в журнале Nature Communications.
Исследователи синтетической биологии надеются перепрограммировать клетки, изменив их ДНК, чтобы дать им новую функциональность. В то время как исследователи успешно перепрограммировали ДНК клеток бактерий для создания новых терапевтических средств и химических веществ, клетки млекопитающих в настоящее время сложнее модифицировать из-за их сложной базовой биологии.
Мощные инструменты, такие как CRISPR-Cas9, могут редактировать отдельные гены в этих клетках, но эти инструменты не позволяют исследователям легко создавать более тонкую, сложную функциональность, которая требует введения и часто тонкой настройки новых генетических сетей.
Леонард и его команда заинтересованы в разработке клеточной терапии — например, перепрограммированных клеток, которые находят опухоли в организме и лечат рак в местах заболевания, — но они поняли, что им нужно разработать инструментарий для построения многих функций, которые могут быть наиболее полезны. Недавние достижения в этой области проложили путь к выявлению желательных терапевтических функций, даже в контексте такой сложной системы, и ключевой задачей было выяснить, как модифицировать клетку для выполнения этих задач.
«Методы лечения, которые мы разрабатываем, требуют сложных технологий. Появилась возможность разработать одну такую технологию для расширения функций, которые мы можем реализовать в клетке млекопитающего», — сказал Патрик Донахью, аспирант в лаборатории Леонарда и первый автор статьи.
Затем группа работала над созданием библиотеки промоторов и транскрипционных факторов, которые копируют ДНК в РНК, что позволяет проектировать и настраивать экспрессию генов. Авторы охарактеризовали эти компоненты и то, как они работают вместе, чтобы обеспечить точную настройку уровней экспрессии генов. Они также разработали математическую модель, которая объясняет, как работает система.
“Для технологии синтетической биологии наличие математической модели имеет важное значение для обеспечения многоразовых и предсказуемых модулей, которые могут применяться и расширяться другими исследованиями. Мы моделируем этот принцип в системе комет», — пояснила Неда Багери, которая сотрудничала с Леонардом. Багери и является адъюнкт-профессором химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете и выдающимся исследователем вашингтонского исследовательского фонда в Университете Вашингтона Сиэтла.
Теперь Леонард и его команда работают над использованием платформы для создания биологических систем, которые могут выполнять сложные функции, такие как доставка терапии непосредственно к опухолям. Исследование включает в себя программирование клетки, чтобы иметь возможность оценить свою окружающую среду, чтобы определить, является ли ткань здоровой или раковой.
Ключевой задачей для группы является обеспечение доступности этой новой технологии для других групп, с тем чтобы другие могли как расширить комету, так и использовать ее для дальнейших исследований в различных областях.
