Enthüllung des Potenzials genetischer Schaltkreise auf einzelnen DNA-Molekülen

In einem neuen Naturkommunikation StudieForscher haben den Aufbau genetischer Schaltkreise auf einzelnen DNA-Molekülen untersucht und die lokalisierte Proteinsynthese als Leitprinzip für dissipative Nanogeräte demonstriert, was Einblicke in das Design künstlicher Zellen und nanobiotechnologische Anwendungen bietet.

Der Begriff „genetischer Schaltkreis“ ist eine metaphorische Beschreibung des komplexen Netzwerks genetischer Elemente (wie Gene, Promotoren und regulatorische Proteine) innerhalb einer Zelle, die interagieren, um die Genexpression und Zellfunktionen zu steuern.

Im Bereich des künstlichen Zelldesigns zielen Wissenschaftler darauf ab, diese genetischen Schaltkreise zu replizieren und zu manipulieren, um funktionale, in sich geschlossene Einheiten zu schaffen. Diese Schaltkreise fungieren als molekulare Maschinerie, die für die Orchestrierung zellulärer Prozesse verantwortlich ist, indem sie die Produktion von Proteinen und anderen Molekülen präzise regulieren.

Durch das Verständnis und die Manipulation dieser Schaltkreise können Forscher künstliche Zellen mit programmierbarem Verhalten konstruieren und so die Funktionalitäten natürlicher Zellen nachahmen.

Im Rahmen der genannten Studie liegt der Schwerpunkt auf dem Aufbau genetischer Schaltkreise auf einzelnen DNA-Molekülen. Dies stellt einen neuartigen Ansatz dar, da er vom traditionellen zellulären Kontext abweicht und die Möglichkeit erforscht, genetische Schaltkreise unter zellfreien Bedingungen zu schaffen.

Erstautor Dr. Ferdinand Greiss vom Weizmann Institute of Science in Israel erklärte gegenüber Phys.org die Motivation der Forscher: „Wir versuchen, biologische Prozesse außerhalb der komplexen Schaltkreise lebender Zellen wiederherzustellen und hoffentlich unser Verständnis der Leitprinzipien der Natur zu verbessern.“ Die Forschung zielt auf den Bau zukünftiger künstlicher Zellen ab, und einzelne DNA-Moleküle könnten die genetische Grundlage dafür sein.

Genregulation

Unter Genregulation versteht man den Prozess, durch den Zellen die Expression von Genen steuern und bestimmen, wann und in welchem ​​Umfang die Informationen eines Gens bei der Synthese funktioneller Moleküle wie Proteine ​​oder RNA genutzt werden. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellfunktionen, der Reaktion auf Umweltveränderungen und der Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Entwicklung.

Die Regulierung der Genexpression umfasst Transkription und Translation. Bei der Transkription dient ein bestimmter DNA-Abschnitt als Matrize für die Synthese komplementärer mRNA-Moleküle durch die RNA-Polymerase. Diese mRNA transportiert den genetischen Code vom Zellkern zum Zytoplasma, wo die Übersetzung stattfindet.

Bei der Translation handelt es sich um die Umwandlung von mRNA in Proteine. Ribosomen lesen die mRNA-Sequenz und erleichtern so den Zusammenbau von Aminosäuren zu einer Polypeptidkette, wodurch das vom Gen kodierte Protein entsteht.

„In prokaryotischen Systemen sind die Transkriptions- und Translationsprozesse gekoppelt. Das bedeutet, dass, sobald die RNA-Polymerase mRNA aus DNA produziert, das Ribosom die ribosomale Bindungsstelle auf der entstehenden mRNA finden kann, um mit der Synthese des Proteins zu beginnen. Das entstehende Protein kann sich falten und funktionieren.“ während es noch durch den RNA-Polymerase-mRNA-Ribosomen-Komplex an die DNA gebunden ist. Nach Beendigung der Transkription oder Translation fällt das entstehende Protein von der DNA ab und verteilt sich in der Massenlösung“, erklärte Co-Autorin Dr. Shirley Shulman Daube vom Weizmann-Institut für Wissenschaft in Israel.

Die Bedeutung liegt in der erhöhten lokalen Konzentration entstehender Proteine, die etwa 1.000-mal höher ist als die umgebende Volumenlösung. Diese räumliche Organisation und Konzentrationssteigerung könnte Auswirkungen auf die Zellfunktionen haben und möglicherweise eine Rolle beim Aufbau künstlicher Zellen aus einzelnen DNA-Molekülen spielen.

Aufbau eines genetischen Schaltkreises auf einem einzelnen DNA-Molekül

„Genetische Schaltkreise basieren auf genetisch kodierten Molekülen wie Transkriptionsfaktoren, die aus DNA produziert werden und sich wieder an die DNA binden, um ihre eigene und die Produktion anderer Moleküle zu regulieren“, sagte Co-Autor Dr. Vincent Noireaux von der University of Minnesota .

Um den genetischen Schaltkreis auf einem einzelnen DNA-Molekül aufzubauen, entwarfen die Forscher spezifische Sequenzen mit Genen des Lambda-Bakteriophagen (E. coli).

Der genetische Schaltkreis umfasste eine negative Kaskade, die vom CI-Repressor-Gen und seiner Operator-Bindungsstelle gesteuert wurde und das HT-Gen auf komplexe Weise steuerte. Dieses HT-Gen kodierte für das HaloTag (HT)-Protein, ein entscheidendes Element für die Visualisierung entstehender Proteine ​​auf einzelnen DNA-Molekülen.

In der Studie wurden strenge Bedingungen umgesetzt, darunter eine niedrige DNA-Oberflächendichte, um eine präzise lokalisierte Proteinsynthese sicherzustellen.

Gleichzeitig entfaltete sich mit der Fusion der T7-Bakteriophagen-RNA-Polymerase (HT-T7 RNAP) und des HT-Proteins eine positive Kaskade, die eine Echtzeitüberwachung der Genexpression durch ein nachgeschaltetes Reportergen, GFP, ermöglichte.

Ein dunkelroter fluorogener Farbstoff (MaP655-Halo) verbesserte die Erkennung entstehender Proteine ​​und lieferte einen umfassenden Überblick über die Dynamik des genetischen Schaltkreises.

Die negative Kaskade oder Unterdrückung reguliert und hemmt unter bestimmten Bedingungen die Produktion spezifischer Proteine. Andererseits tragen positive Kaskaden zur Aktivierung und Expression spezifischer Gene innerhalb des genetischen Schaltkreises bei.

Die Forschung ging über die bloße Beobachtung hinaus und umfasste einen Rückkopplungsschaltkreis mit einem synthetischen dCro-Repressor. Diese Komponente war entscheidend für die Regulierung der Genexpression durch einen sorgfältig entwickelten synthetischen Promotor.

Frei von zellulärer Eingrenzung

Die Forscher entdeckten, dass die lokalisierte Proteinsynthese auf einem einzelnen DNA-Molekül genetische Schaltkreise unter zellfreien Bedingungen steuern kann, ohne dass zelluläre Kompartimente eingeschränkt werden. Die Dynamik genetischer Schaltkreise wurde unter sehr verdünnten Bedingungen akribisch beobachtet.

Hauptautor Dr. Roy Bar-Ziv vom Weizmann Institute of Science in Israel betonte die Bedeutung ihrer Ergebnisse: „Die Regulierung der Genexpression hängt davon ab, dass Proteine ​​an die DNA binden und die Aktivität eines Gens blockieren oder erhöhen. Die Bindung erfordert hohe.“ Konzentrationen von Proteinen, um spezifische Sequenzen auf dem DNA-Molekül zu finden und zu binden. Unerwarteterweise stellen wir fest, dass die lokalisierte Proteinsynthese die Konzentration vorübergehend lange genug erhöhen kann, damit Proteine ​​das Gleiche tun können, ohne auf die Zelle beschränkt zu sein.“

Im Wesentlichen stellt dieser Befund die herkömmliche Vorstellung in Frage, dass hohe Konzentrationen für die Genregulation unerlässlich sind, und führt einen neuen Aspekt der lokalisierten Proteinsynthese als Mittel zur Beeinflussung genetischer Schaltkreise unter zellfreien Bedingungen ein.

Für zukünftige Arbeiten stellen sich die Forscher vor, die lokalisierte Proteinsynthese als Leitprinzip zu nutzen, um die Funktionalität künstlicher Zellen aus einzelnen DNA-Molekülen zu verbessern und Herausforderungen bei niedrigen Konzentrationen zu bewältigen. Sie sehen auch mögliche Anwendungen in selbstkodierten Nanogeräten und planen, Zusammenhänge zwischen DNA-Struktur, Genexpressionsdynamik und Proteinsynthese zu untersuchen.

Die Forschung umfasste auch Beiträge von Nicolas Lardon und Prof. Kai Johnsson vom MPI für medizinische Forschung, der den fluorogenen Farbstoff (MaP655-Halo) entwickelt hat; Yoav Barak, der bei der Optimierung der DNA-Präparation half; und Leonie Schütz mit Prof. Elmar Weinhold, der Pionier der Entwicklung von Methyltransferasen für ortsspezifische DNA-Modifikationen mit Biotinen war.

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