Sadece çalışan sentetik hücresel sistemler tasarlamak

Hücre mühendisliği yapmak hâlâ kolay değil. Günümüzde basit işlevlerin bile uygulanması, ciddi optimizasyon ve ayarlama gerektirir. O zaman bile, karmaşık ve tam olarak anlaşılamayan hücre ortamı içindeki istenmeyen etkileşimler, işlerin hala tipik olarak istendiği gibi çalışmadığı anlamına gelir.

Buna karşılık, diğer alanlardaki mühendisler rutin olarak inanılmaz bir kontrolle çalışan sistemler tasarlıyor: Mars’a ulaşabilen roketler, kendi kendine gidebilen arabalar ve yüzlerce metre yüksekliğindeki gökdelenler bunlardan birkaçı.

Basitçe çalışan rutin hücre mühendisliğine nasıl ulaşabiliriz?

Mühendislik pratiğindeki rutinleşmenin tarihi bize, eksiksiz entegre sistemler tasarlamak ve inşa etmek için teori, modelleme ve ampirizm kombinasyonuna ihtiyacımız olduğunu söyler. İtiş gücünü ve aerodinamiği nasıl değiştireceğimizi anladığımız için roket tasarlayabiliriz. Motorları, direksiyonu ve frenleri özel makine öğrenimi algoritmalarıyla donatılmış mikroişlemciler ile güvenilir bir şekilde entegre edebildiğimiz için sürücüsüz arabalar yapabiliriz. Gökdelenler inşa edebiliriz çünkü tüm gerekli yapısal malzemelerin muazzam dış kuvvetleri desteklemek için nasıl bir araya geldiğini biliyoruz. Örtünün altında, hücreler temel olarak birlikte çalışan birçok farklı molekülden oluşur ve bu da toplam moleküler davranışı yakalayan entegre bir tasarıma ihtiyaç olduğunu düşündürür.

Yeni yayınlanan Nature Communications makalemizde, moleküler çözünürlüğe sahip basit hücresel sistemleri tasarlamak ve oluşturmak için bir çerçeve sunarak hücre mühendisliği için böylesine entegre bir yaklaşım oluşturmaya çalışıyoruz. Moleküler fizik tabanlı bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) aracı ve CAD’de belirtilen molekül topluluklarını oluşturmak için yöntem geliştiriyoruz. Bunlar birlikte, basit hücresel sistemleri sıfırdan tasarlamayı ve inşa etmeyi mümkün kılar. Basitçe ilk denemede çalışan, giderek daha karmaşık hale gelen hücresel sistemlerin rutin mühendisliği için bir “tasarla-yap-çalıştır” çerçevesi sunan, mühendislik ürünü hücresel sistemler inşa edebileceğimizi gösteriyoruz.

En iyi şematik, şuradaki görüntüleri kullanır: [1]. Biorender.com kullanılarak oluşturulan alt şematik ve görüntü [2].

Hücreleri sıfırdan tasarlamak için bir fizik modelleme çerçevesinden yararlanma

Sentetik hücresel sistemleri sıfırdan tasarlamak, herhangi bir sistemde her bir molekülden tam olarak kaç tane olması gerektiğini belirlemek anlamına gelir – örneğin, tRNA, ribozom veya herhangi bir proteinin sayısı. Önceki çalışmalarımızda, molekül topluluklarının fiziksel hareketini ve kimyasal reaktivitesini oluşturmak ve simüle etmek için kullanılabilecek bir fizik modelleme çerçevesi geliştirdik. E. coli [3]; Moleküllerin fiziksel dinamiklerini sözde “koloidal ölçekte” temsil etmenin, proteinlerin ne kadar hızlı üretildiğini tahmin etmek için kritik olduğunu bulduk. Yeni çalışmalarımızda, tasarlanmış hücresel sistemlerde molekül topluluklarının davranışını tasarlamak ve simüle etmek için koloidal fizik modelimiz etrafında bir CAD aracı “Colloidal Dynamics-CAD” veya CD-CAD oluşturduk. Bunu yapmak için, belirli miktarda tRNA’ya sahip hücresel sistemlerin davranışını tahmin edecek şekilde fizik modelimizi genişlettik, tahminleri 100.000 kat hızlandırmak için yeni hesaplama yöntemleri geliştirdik ve optimal molekülü sistematik olarak keşfetmek için geliştirilmiş modelin etrafına evrimsel bir algoritma sardık. kompozisyonlar.

Gerçeğe uygun tasarım: hücreleri sıfırdan inşa etmek için deneysel bir yöntem

Tamamen tanımlanmış hücresel sistemler için altın standart, transkripsiyon ve translasyon yapabilen 108 farklı molekülden oluşan bir set olan ‘PURE’ sistemdir. [4]. PURE’deki molekül türleri tam olarak belirlenebilse de, göreli sayıları belirtilemez: örneğin, her tRNA’nın bolluğu, doğal tRNA’nınkini taklit edecek şekilde sınırlandırılmıştır. E. coli çünkü PURE toplu olarak birlikte çıkarılan tRNA’yı kullanır. CAD tasarımlı sistemlerimizi deneysel uygulamaya bağlamak için, PURE’ü her bir tRNA’nın belirli miktarlarını içerecek şekilde genişlettik. Spesifik olarak, PURE’ü ayrı ayrı sentezlenmiş ve saflaştırılmış tRNA ile çalışacak şekilde genişlettik. [5] ve CD-CAD tarafından belirtildiği gibi tRNA topluluklarını birleştirmek için bir süreç oluşturdu. Bu deneysel yönteme “Nükleik Asitlerin Ayarlanabilir Uygulanması” veya TINA diyoruz. TINA tarafından oluşturulmuş PURE, sıfırdan oluşturulmuş tamamen tanımlanmış CAD mühendislik sistemleri için bir temel sağlar.

Yeni hücresel sistem türlerinin tasarlanması ve inşa edilmesi

Hücreleri sıfırdan tasarlamanın bir gücü, doğal hücrelerin temel kurallarından sapabilmemizdir. Örneğin, önceki çalışmalarımızda, her amino asidin yalnızca tek bir tRNA tarafından kodlandığı ve bu şekilde kodlanan genlerin teoride daha yavaş evrimleşmesini sağlayan ‘Arızaya Dayanıklı’ genetik kodlar tasarladık. [5]. Yeni çalışmamızda, tüm verileri hesaplamalı olarak yeniden kodladık. E. coli transkriptomu Arızaya Dayanıklı bir koda dönüştürdü, ardından CD-CAD’i kullanarak belirtilen protein sentez oranlarına sahip molekül bolluklarını tasarladı ve vahşi tipe kıyasla %5 daha hızlı ila %50 daha yavaş tahmin edilen protein sentez oranlarına sahip hücre sistemleri elde etti. Ayrıca, Fail-Safe kodlu tek bir modelin daha hızlı ve daha yavaş protein sentezi için molekül bolluklarını tasarladık, ardından TINA kullanarak bu daha hızlı ve daha yavaş sistemleri oluşturduk. Deneylerimizin niteliksel olarak tasarımlarımızla eşleştiğini bulduk. Protein sentez hızındaki küçük değişiklikler bile güçlü olabilir: örneğin, proteinleri %10 daha yavaş üreten bir hücre, komşu hücreler tarafından birkaç nesil içinde geride bırakılacak ve bu da tasarlanmış hücrelerin çoğalması ve yaşam süresi üzerinde kontrole olanak tanıyacaktır.

Sentetik hücre mühendisliğini rutinleştirmek için bir çerçeve olarak tasarla-yap-çalış

Tasarlanan sistemlerimiz, modelimize uymaya veya deney düzeneğimizi optimize etmeye gerek kalmadan ilk seferde çalıştı, hücre mühendisliğinde benzersiz bir deneyim. Deneyimlerimiz, bir “tasarla-inşa et-çalış” çerçevesinin yalnızca mümkün olmadığını, aynı zamanda giderek daha karmaşık hale gelen sistemleri rutin olarak tasarlamak için umut verici bir yol olduğunu göstermektedir. Örneğin, şu anki çalışmamız bir hücre işlevi – protein sentezi – için “tasarla-yap-çalıştır”ı gösterirken, birleştirilmiş CAD ve sıfırdan sistem mühendisliği yaklaşımı modülerdir ve diğer temel hücre süreçlerine göre ölçeklenebilir. CD-CAD ve TINA birlikte artık PURE’deki 108 molekülden 21’inin modüler kontrolüne dayalı rutin mühendisliği mümkün kılıyor. En az bir minimal hücre için sadece 473 tip moleküle ihtiyaç duyulduğu göz önüne alındığında [6]komple hücreleri sıfırdan rutin olarak tasarlayıp inşa edebileceğimiz yakın bir geleceği hayal etmekten heyecan duyuyoruz.

Referanslar

  1. Lexus CT 200h: Dauertest.de (2014). Şu adreste mevcuttur: https://www.autobild.de/artikel/lexus-ct-200h-dauertest-4573240.html.
  2. Swettitz, I. Kimyasallardan hayata: Bilim adamları hücreleri sıfırdan inşa etmeye çalışıyor. STAT (2017). Şu adreste bulunabilir: https://www.statnews.com/2017/07/28/cell-build-from-scratch/.
  3. Maheshwari, AJ, Sunol, AM, Gonzalez, E., Endy, D. & Zia, RN Kolloidal fizik modellemesi, E. coli’deki büyüme oranıyla ribozom başına verimliliğin nasıl arttığını ortaya koyuyor. mBio https://doi.org/10.1128/ mbio.02865-22 (2022).
  4. Shimizu, Y. & Ueda, T. PURE teknolojisi. Yöntemler Mol. Biol. 607, 11–21 (2010)
  5. Calles, J., Justice, I., Brinkley, D., Garcia, A. & Endy, D. Tasarlanmış organizmaları özünde içerecek şekilde tasarlanmış, arızaya dayanıklı genetik kodlar. Nükleik Asitler Res. 47, 10439–10451 (2019).
  6. Hutchison, CA ve ark. Minimal bir bakteri genomunun tasarımı ve sentezi. Science 351, aad6253 (2016).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir