超越细胞揭示单个DNA分子遗传电路的潜力

在《自然通讯》的一项新研究中，研究人员探索了单个DNA分子上遗传电路的构建，证明了局部蛋白质合成是耗散纳米器件的指导原则，为人工细胞设计和纳米生物技术应用提供了见解。

术语“遗传回路”是对细胞内遗传元件(例如基因、启动子和调节蛋白)的复杂网络的隐喻描述，这些元件相互作用以控制基因表达和细胞功能。

在人工细胞设计领域，科学家的目标是复制和改造这些遗传电路，以创建功能齐全的独立单元。这些电路充当分子机器，负责通过精确调节蛋白质和其他分子的产生来协调细胞过程。

通过理解和操纵这些电路，研究人员可以设计具有可编程行为的人造细胞，模仿自然细胞的功能。

在上述研究的背景下，重点是在单个DNA分子上构建遗传电路。这代表了一种新颖的方法，因为它摆脱了传统的细胞环境，并探索了在无细胞条件下创建遗传电路的可能性。

第一作者、以色列魏茨曼科学研究所的费迪南德·格雷斯(FerdinandGreiss)博士向Phys.org解释了研究人员的动机：“我们正在尝试在活细胞复杂电路之外重建生物过程，希望能增进我们对自然指导原则的理解。研究的方向是构建未来的人造细胞，而单个DNA分子可能是其遗传基础。”

基因调控

基因调控是细胞控制基因表达的过程，决定基因信息在蛋白质或RNA等功能分子合成中的利用时间和程度。它在维持细胞功能、响应环境变化和确保正常发育方面发挥着至关重要的作用。

基因表达的调控涉及转录和翻译。在转录过程中，DNA的特定片段作为RNA聚合酶合成互补mRNA分子的模板。这种mRNA将遗传密码从细胞核携带到细胞质，并在细胞质中进行翻译。

翻译涉及将mRNA转化为蛋白质。核糖体读取mRNA序列，促进氨基酸组装成多肽链，形成基因编码的蛋白质。

“在原核系统中，转录和翻译过程是耦合的。这意味着一旦RNA聚合酶从DNA产生mRNA，核糖体就可以在新生mRNA上找到核糖体结合位点，开始合成蛋白质。新生蛋白质可以折叠并发挥作用同时仍然通过RNA聚合酶-mRNA-核糖体复合物与DNA相连。转录或翻译终止后，新生蛋白从DNA上脱落并分散到本体溶液中，”该研究的合著者ShirleyShulmanDaube博士解释道。以色列魏茨曼科学研究所。

其意义在于新生蛋白质的局部浓度增加，比周围的本体溶液高约1,000倍。这种空间组织和浓度提升可能会对细胞功能产生影响，并可能在使用单个DNA分子构建人造细胞中发挥作用。

在单个DNA分子上构建遗传电路

明尼苏达大学的合著者VincentNoireaux博士说：“遗传电路基于基因编码分子，例如转录因子，这些分子由DNA产生并与DNA结合，以调节自身分子和其他分子的产生。”。

为了在单个DNA分子上构建遗传电路，研究人员设计了带有lambda噬菌体(大肠杆菌)基因的特定序列。

遗传回路涉及负级联反应，由CI阻遏基因及其操纵子结合位点引导，错综复杂地控制HT基因。该HT基因编码HaloTag(HT)蛋白，这是可视化单个DNA分子上新生蛋白的关键元素。

该研究采用了严格的条件，包括低DNA表面密度，以确保精确的局部蛋白质合成。

同时，随着T7噬菌体RNA聚合酶(HT-T7RNAP)和HT蛋白的融合，正级联反应展开，从而能够通过下游报告基因GFP实时监测基因表达。

远红荧光染料(MaP655-Halo)增强了新生蛋白质的检测，提供了遗传回路动态的全面视图。

负级联或抑制在某些条件下调节和抑制特定蛋白质的产生。另一方面，正级联反应有助于遗传回路内特定基因的激活和表达。

该研究超越了单纯的观察，纳入了具有合成dCro阻遏物的反馈电路。该组件对于通过精心设计的合成启动子调节基因表达至关重要。

不受细胞限制

研究人员发现，单个DNA分子上的局部蛋白质合成可以在无细胞条件下驱动遗传电路，而不受细胞区室的限制。在非常稀薄的条件下仔细观察了遗传回路的动态。

主要作者、以色列魏茨曼科学研究所的RoyBar-Ziv博士强调了他们的发现的重要性：“基因表达的调节取决于蛋白质与DNA的结合，从而阻断或增加基因的活性。这种结合需要高“我们通过调节蛋白质的浓度来寻找并结合DNA分子上的特定序列。出乎意料的是，我们发现局部蛋白质合成可以短暂地增加浓度，足够长的时间使蛋白质能够在不受细胞限制的情况下做同样的事情。”

从本质上讲，这一发现挑战了高浓度对于基因调控至关重要的传统观念，引入了局部蛋白质合成的一个新方面，作为影响无细胞条件下遗传回路的手段。

对于未来的工作，研究人员设想利用局部蛋白质合成作为指导原则，增强由单个DNA分子构建的人工细胞的功能，解决低浓度的挑战。他们还预见到自编码纳米器件的潜在应用，并计划探索DNA结构、基因表达动力学和蛋白质合成之间的相关性。

该研究还包括NicolasLardon和MPI医学研究的KaiJohnsson教授的贡献，他们开发了荧光染料(MaP655-Halo);YoavBarak，帮助优化DNA制备;以及LeonieSchütz和ElmarWeinhold教授，后者率先开发了甲基转移酶，用于利用生物素进行位点特异性DNA修饰。

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