Wissenschaftler entwickeln neue Werkzeuge zur elektronischen Steuerung der Genexpression

Forscher unter der Leitung von Experten des Imperial College London haben eine neue Methode entwickelt, mit der die Genexpression durch Zufuhr und Entfernung von Elektronen präzise verändert werden kann.

Dies könnte helfen, biomedizinische Implantate im Körper oder Reaktionen in großen „Bioreaktoren“ zu kontrollieren, die Medikamente und andere nützliche Verbindungen produzieren. Stromreize, die zum Auslösen solcher Reaktionen verwendet werden, können Materialien oft nicht durchdringen oder stellen ein Toxizitätsrisiko dar – Elektrizität hält die Lösung.

Genexpression ist der Prozess, durch den Gene „aktiviert“ werden, um neue Moleküle und andere nachgelagerte Effekte in Zellen zu produzieren. In Organismen wird es durch Regionen der DNA reguliert, die als Promotoren bezeichnet werden. Einige Promotoren, die als induzierbare Promotoren bezeichnet werden, können auf verschiedene Reize wie Licht, Chemikalien und Temperatur reagieren.

Die Verwendung von Elektrizität zur Steuerung der Genexpression hat ein neues Forschungsgebiet eröffnet, und obwohl solche elektrogenetischen Systeme bereits früher identifiziert wurden, fehlte es ihnen an Präzision während des Vorhandenseins oder Fehlens elektrischer Signale, was ihre Anwendungen einschränkte. Das neu vorgeschlagene System mit technisch hergestellten Promotoren ermöglicht zum ersten Mal die Erzielung einer solchen Genauigkeit unter Verwendung eines elektrischen Stimulus in Bakterien.

Die Studie erscheint heute in Wissenschaftliche Fortschritte.

Ko-Hauptautor Joshua Lawrence sagte: „Ein Hauptproblem in der synthetischen Biologie ist, dass es schwierig ist, biologische Systeme so zu kontrollieren, wie wir künstliche kontrollieren. Wenn wir wollen, dass eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Chemikalie produziert, können wir das tun Wir ändern nicht nur eine Einstellung an einem Computer – wir müssen eine Chemikalie hinzufügen oder die Lichtverhältnisse ändern.

„Die Werkzeuge, die wir im Rahmen dieses Projekts geschaffen haben, werden es Forschern ermöglichen, die Genexpression und das Verhalten von Zellen ohne Leistungseinbußen stattdessen mit elektrischen Signalen zu steuern.

„Wir hoffen, dass wir durch die Weiterentwicklung dieser Tools biologische Systeme wirklich per Knopfdruck steuern können.“

In dieser Untersuchung hat die PsoxDer S-Promotor wurde umgestaltet, um stärker auf elektrische Stimuli zu reagieren, die durch die Abgabe von Elektronen bereitgestellt werden. Der neu konstruierte PsoxS-Promotoren konnten die Genexpression nicht nur aktivieren, sondern auch unterdrücken.

Die elektrisch stimulierte Genexpression war bisher in Gegenwart von Sauerstoff schwierig durchzuführen, was ihre Verwendung in realen Anwendungen einschränkte. Die neue Methode ist in Gegenwart von Sauerstoff durchführbar, was bedeutet, dass sie über verschiedene Bakterienarten hinweg repliziert und in Anwendungen wie medizinischen Implantaten und bioindustriellen Prozessen eingesetzt werden kann. Elektrochemische Werkzeuge können für verschiedene Aufgaben angepasst werden, indem sie über die Änderung des Elektrodenpotentials auf ein bestimmtes Niveau eingestellt werden.

Biomedizinische Implantate verwenden oft einen Reiz, um ein bestimmtes Medikament oder Hormon im Körper zu produzieren. Nicht alle Stimuli sind geeignet; Licht kann den menschlichen Körper nicht durchdringen und die Einnahme von Chemikalien kann zu Toxizität führen. Elektrische Reize können über Elektroden verabreicht werden, was eine direkte und sichere Abgabe ermöglicht.

Bei großen Bioreaktoren (manchmal so groß wie ein Gebäude), die Chemikalien, Medikamente oder Kraftstoffe produzieren, kann es schwierig sein, das große Kulturvolumen mit Licht zu durchdringen, und die Versorgung mit chemischen Induktoren ist teuer, sodass die Zufuhr von Elektronen eine Lösung darstellt.

Für ihre Proof-of-Concept-Studie nahmen die Forscher das „leuchtende“ Protein von Quallen und verwendeten den neuen Promotor und Elektronen, um seine Expression in Bakterien zu induzieren, wodurch die Zellen nur dann leuchten, wenn das System „an“ war. In einer anderen Konfiguration des Systems erzeugten die Forscher ein Bakterium, das leuchtete, wenn das System „aus“ war, und aufhörte zu leuchten, wenn das System „an“ war.

Dr. Rodrigo Ledesma Amaro, Dozent am Imperial College London und Leiter der RLAlab-Forschungsgruppe, sagte: „Das Projekt entstand als himmelblaue Idee während eines Studentenwettbewerbs für synthetische Biologie.

„Dank des starken Engagements, der jahrelangen Arbeit und einer großartigen Teamleistung wurde diese ursprüngliche Idee Wirklichkeit und wir verfügen jetzt über eine Vielzahl neuer Technologien, um mithilfe von Elektrizität das Schicksal von Zellen zu kontrollieren.“

Das Team plant nun die Entwicklung verschiedener Promotoren, die verschiedene nachgeschaltete Faktoren induzieren, sodass gleichzeitige elektrische Signale verschiedene Gene unabhängig voneinander exprimieren können. Der Aufbau einer größeren Bibliothek von Promotoren und Downstream-Faktoren bedeutet, dass das aktuelle System für die Verwendung in Hefe, Pflanzen und Tieren angepasst werden kann.

Dr. Ledesma-Amaro vom Department of Bioengineering am Imperial leitete die Forschung, die von Joshua Lawrence, derzeit an der University of Cambridge, und Yutong Yin, derzeit an der University of Oxford, durchgeführt wurde. Die Forschung ist das Ergebnis einer größeren Zusammenarbeit von Experten aus den Departments of Chemistry, Life Sciences und Bioengineering von Imperial, dem Translation & Innovation Hub des Imperial College, der Cambridge University und der Universität Mailand.