Dr. Chelsea Hu, Assistenzprofessorin am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering an der Texas A&M University und Mitglied des Accountability, Climate, Equity, and Scholarship (ACES) Faculty Fellows Program, nutzt die synthetische Biologie, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, gentechnisch veränderte Produkte zu kontrollieren Zellen. Ihre Studie ist die erste, die Modellierung und ein physikalisches Experiment verwendet, um die Wirksamkeit von geschichteten Feedback-Mechanismen zu zeigen. Hu arbeitete mit Dr. Richard Murray am California Institute of Technology zusammen.
„Synthetische Biologie ist unglaublich nützlich“, sagte Hu. „Es ermöglicht Wissenschaftlern, eine Zelle zu manipulieren, indem sie ein bestimmtes Gen ein- oder ausschalten, damit sich die Zelle auf eine bestimmte Weise verhält. Das Problem ist, dass Wissenschaftler, sobald sie die manipulierte Zelle erstellt haben, sehr wenig Kontrolle darüber haben, wie sie auf externe Faktoren reagiert . In meiner Forschung geht es darum, synthetische Biologie einzusetzen, um die erforderlichen Kontrollmechanismen zu implementieren.“
Hus Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Kontrolle ist der wichtigste Aspekt der Technik“, sagte Hu. „Wir können alles entwickeln, aber wenn wir es nicht kontrollieren können, ist es für uns nicht nützlich. Das Ziel meiner Forschung ist es, Wissenschaftlern dabei zu helfen, mehr Kontrolle über gentechnisch veränderte Zellen zu erlangen, indem sie Feedback-Mechanismen anwenden.“
Ingenieure verwenden regelmäßig Feedback-Mechanismen, um Systeme so zu steuern, dass sie das tägliche Leben beeinflussen. Ohne Rückkopplungsmechanismen könnten Dinge wie moderne Flugzeuge oder Kraftfahrzeuge nicht existieren.
„Der beste Weg, über einen Rückkopplungsmechanismus nachzudenken, ist, über Ihre Klimaanlage nachzudenken“, sagte Hu. „Wenn Sie Ihre Klimaanlage auf 72 Grad programmieren und die Temperatur auf 73 steigt, kühlt das Gerät den Raum, bis es wieder auf 72 Grad zurückkehrt. Wenn der Thermostat die eingestellte Temperatur erreicht, schaltet sich das Gerät ab.“
Da jedoch nicht alle Feedback-Mechanismen gleich sind, wird das Hinzufügen von ihnen nicht immer die Leistung verbessern. Die Mechanismen müssen richtig kombiniert werden, da es oft einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Robustheit gibt. Eine schnelle Antwort ist normalerweise schwach, und eine robuste Antwort dauert normalerweise länger.
Ingenieure schichten häufig zwei Feedback-Mechanismen übereinander, um den Kompromiss beim Entwerfen eines schnellen und robusten Systems zu überwinden. Diese Optimierungsstrategie ist maßgeblich für die robuste Leistung der modernsten Technologie verantwortlich. Ähnliche Schichtungsstrategien kommen natürlich auch in der Biologie vor. Wenn ein lebender Organismus eine Störung erfährt, wie z. B. eine umweltbedingte, physikalische oder chemische Veränderung, verwendet er mehrschichtige Rückkopplungsmechanismen, um zur Homöostase zurückzukehren.
„Wir versuchen herauszufinden, ob es ein Zufall ist, dass Evolution und Technik dasselbe mehrschichtige Feedback-Design verwenden“, sagte Hu. „Wir erforschen auch, ob geschichtete Feedback-Mechanismen in der Biologie den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Robustheit auf die gleiche Weise überwinden wie in technischen Systemen. Am wichtigsten ist, dass wir feststellen, ob die Verwendung geschichteter Feedback-Mechanismen der richtige Weg ist, um die Kontrolle über synthetische biologische Systeme zu erlangen. “
Während geschichtete Rückkopplungsmechanismen in der modernen Technologie weit verbreitet sind, ist Hus Arbeit die erste ihrer Art, die diese geschichtete Architektur in lebenden Zellen entwirft, modelliert, analysiert und konstruiert. Nachdem er die lebenden Zellen mit den geschichteten Rückkopplungsmechanismen geschaffen hatte, verabreichte Hu Störungen, um die Reaktion der Zellen zu messen. Ihre Forschung bestätigt sowohl rechnerisch als auch experimentell, dass geschichtete Feedback-Mechanismen die Zellleistung im Laufe der Zeit verbessern.
Hus Forschung ist der erste Schritt, um herauszufinden, wie Wissenschaftler eine größere Kontrolle über gentechnisch veränderte Zellen erlangen können. In Zukunft könnte diese Forschung einen tiefgreifenden Einfluss auf die Menschheit haben, wenn sie in die Bereiche Biomedizin, Landwirtschaft, Industrie und Umwelt integriert wird.
„Sobald wir gentechnisch veränderte Zellen kontrollieren können, können wir sie verwenden, um das menschliche Leben zu verbessern“, sagte Hu. „Die Zellen könnten verwendet werden, um bei Dingen wie der Behandlung von Darmentzündungen, der Verbesserung des Pflanzenwachstums oder der Beseitigung von chemischen Abfällen zu helfen. Aber die Kontrolle in der synthetischen Biologie steckt noch in den Kinderschuhen, und wir haben noch viel zu tun, bevor diese Technologie weit verbreitet ist in unseren Alltag.“
Mehr Informationen:
Chelsea Y. Hu et al., Layered Feedback Control überwindet Leistungskompromisse in synthetischen biomolekularen Netzwerken, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33058-6