Τα γονίδια μπορούν να ανταποκριθούν σε κωδικοποιημένες πληροφορίες με φωτεινά σήματα

Τα γονίδια μπορούν να ανταποκριθούν σε κωδικοποιημένες πληροφορίες με φωτεινά σήματα
Τα γονίδια μπορούν να ανταποκριθούν σε κωδικοποιημένες πληροφορίες με φωτεινά σήματα
Anonim

Μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας δείχνει ότι τα γονίδια είναι σε θέση να αναγνωρίσουν και να ανταποκριθούν σε κωδικοποιημένες πληροφορίες σε φωτεινά σήματα, καθώς και να φιλτράρουν πλήρως ορισμένα σήματα. Η έρευνα δείχνει πώς ο ίδιος μηχανισμός μπορεί να προκαλέσει διαφορετικές συμπεριφορές του ίδιου γονιδίου, και μπορεί να βρει εφαρμογές στον τομέα της βιοτεχνολογίας.

«Η θεμελιώδης ιδέα είναι αυτή είναι δυνατή η κωδικοποίηση πληροφοριών στη δυναμική του σήματος που λαμβάνει το γονίδιο"λέει ο Albert Keung, συν-συγγραφέας της εργασίας και επίκουρος καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο NC State." Έτσι, αντί να είμαστε απλώς παρόντες ή όχι, αυτό που έχει σημασία είναι πώς παρουσιάζεται ".

Για τη μελέτη αυτή οι επιστήμονες τροποποίησαν ένα κύτταρο ζύμης για να περιέχουν ένα γονίδιο που παράγει φθορίζουσες πρωτεΐνες όταν το κύτταρο εκτίθεται σε μπλε φως.

Ετσι δουλεύει. Μια περιοχή ενός γονιδίου που ονομάζεται προαγωγέας είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο της γονιδιακής δραστηριότητας. Σε τροποποιημένα κύτταρα ζύμης, μια ειδική πρωτεΐνη συνδέεται με την περιοχή προαγωγού του γονιδίου. Όταν οι ερευνητές φωτίζουν αυτή την πρωτεΐνη με μπλε φως, γίνεται ευαίσθητη σε μια δεύτερη πρωτεΐνη. Όταν η δεύτερη πρωτεΐνη συνδέεται με την πρώτη, το γονίδιο γίνεται ενεργό. Και αυτό είναι εύκολο να εντοπιστεί επειδή το ενεργοποιημένο γονίδιο παράγει πρωτεΐνες που λάμπουν στο σκοτάδι.

Στη συνέχεια ερευνητές εξέθεσε αυτά τα κύτταρα ζύμης σε 119 διαφορετικά μοτίβα φωτός … Κάθε μοτίβο φωτός διέφερε σε ένταση φωτός, διάρκεια κάθε παλμού φωτός και συχνότητα παλμών. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ποσοτικοποίησαν την ποσότητα φθορίζουσας πρωτεΐνης που παρήγαγαν τα κύτταρα σε απόκριση σε κάθε μοτίβο φωτός.

Τα δεδομένα που λαμβάνονται δείχνουν ότι τα γονίδια ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται αλλά είναι λιγότερο σαν διακόπτης φώτων και περισσότερο σαν διακόπτης εναλλαγής - γονίδιο μπορεί να ενεργοποιηθεί λίγο, πολύ, ή κάπου ενδιάμεσα. Εάν ένα δεδομένο μοτίβο φωτός είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή μεγάλης ποσότητας φθορίζουσας πρωτεΐνης, αυτό σημαίνει ότι αυτό το φωτεινό μοτίβο έκανε το γονίδιο πολύ ενεργό. Εάν το φωτεινό μοτίβο παρήγαγε μια μικρή ποσότητα φθορίζουσας πρωτεΐνης, αυτό σήμαινε ότι το πρότυπο προκάλεσε μόνο ασθενή γονιδιακή δραστηριότητα.

«Διαπιστώσαμε ότι διαφορετικά μοτίβα φωτός μπορούν να παράγουν πολύ διαφορετικά αποτελέσματα όσον αφορά τη γονιδιακή δραστηριότητα», λέει η Jessica Lee, πρώτη συγγραφέας της εργασίας και πρόσφατη απόφοιτος του NC State PhD. "Η μεγάλη έκπληξη για εμάς ήταν ότι η έξοδος δεν είχε άμεση σχέση με την είσοδο. Περιμέναμε ότι όσο ισχυρότερο ήταν το σήμα, τόσο πιο ενεργό θα ήταν το γονίδιο. Αλλά αυτό δεν συνέβαινε απαραίτητα. Ένα μοτίβο φωτός θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα γονίδιο σημαντικά πιο ενεργό από ένα άλλο. ακόμα κι αν και τα δύο μοτίβα εκθέτουν το γονίδιο στην ίδια ποσότητα φωτός."

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι και οι τρεις μεταβλητές μοτίβου φωτός - ένταση φωτός, συχνότητα παλμών φωτός και διάρκεια κάθε παλμού - θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη γονιδιακή δραστηριότητα, αλλά διαπίστωσαν ότι Ο έλεγχος της συχνότητας των παλμών φωτός τους δίνει τον πιο ακριβή έλεγχο της γονιδιακής δραστηριότητας.

"Χρησιμοποιήσαμε επίσης τα πειραματικά μας δεδομένα για να αναπτύξουμε ένα υπολογιστικό μοντέλο που μας βοήθησε να κατανοήσουμε καλύτερα γιατί διαφορετικά κυκλώματα προκαλούν διαφορετικά επίπεδα γονιδιακής δραστηριότητας", λέει η Leandra Caywood, συν-συγγραφέας της εργασίας και μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο NC State.

"Για παράδειγμα, διαπιστώσαμε ότι όταν οι γρήγοροι παλμοί φωτός είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλο, έχουμε μεγαλύτερη γονιδιακή δραστηριότητα από ό, τι θα περίμενε κανείς από την ποσότητα του παρεχόμενου φωτός", λέει ο Keywood. "Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, καταφέραμε να διαπιστώσουμε ότι αυτό συμβαίνει επειδή οι πρωτεΐνες δεν μπορούν να διαχωριστούν και να συσσωρευτούν αρκετά γρήγορα για να ανταποκριθούν σε κάθε ώθηση. Στην πραγματικότητα, οι πρωτεΐνες δεν έχουν χρόνο να διαχωριστούν τελείως μεταξύ τους μεταξύ των παλμών, έτσι περνούν περισσότερο χρόνο σε σύνδεση - αυτό σημαίνει ότι το γονίδιο περνά περισσότερο χρόνο σε ενεργοποιημένη κατάσταση. Η κατανόηση αυτών των ειδών δυναμικής είναι πολύ χρήσιμη για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς να ελέγξουμε καλύτερα τη γονιδιακή δραστηριότητα μέσω αυτών των σημάτων."

"Το εύρημά μας είναι σχετικό με κύτταρα ευαίσθητα στο φως, όπως αυτά που βρίσκονται στα φύλλα", λέει ο Keung. «Αλλά μας το λέει και αυτό τα γονίδια ανταποκρίνονται σε σήματα που μπορούν να μεταδοθούν όχι μόνο από το φως, αλλά και από άλλους μηχανισμούς".

Ενα σχόλιο: εάν το DNA είναι κάποιου είδους κεραία, ίσως η συντριπτική πλειοψηφία των κυττάρων να μπορεί να ανταποκριθεί σε ορισμένα σήματα

Σκεφτείτε το Η διαχείριση της παρουσίας και της απουσίας αυτής της πρωτεΐνης είναι η μετάδοση ενός κώδικα Μορς από κύτταρο σε γονίδιο. Ανάλογα με πολλές άλλες μεταβλητές - όπως η παρουσία άλλων χημικών ουσιών - το κύτταρο μπορεί να ρυθμίσει λεπτομερώς το μήνυμα που στέλνει στο γονίδιο για να διαμορφώσει τη δραστηριότητά του.

«Αυτό μας λέει η ίδια πρωτεΐνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση διαφορετικών μηνυμάτων στο ίδιο γονίδιο Ο Keung λέει: "Έτσι, ένα κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιήσει μία πρωτεΐνη για να κάνει ένα γονίδιο να αντιδρά διαφορετικά σε διαφορετικές χημικές ουσίες".

Σε μια ξεχωριστή σειρά πειραμάτων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα γονίδια είναι επίσης ικανά να φιλτράρουν ορισμένα σήματα. Η μηχανική αυτού του φαινομένου είναι τόσο απλή όσο και μυστηριώδης … Οι ερευνητές μπόρεσαν να διαπιστώσουν ότι όταν μια δεύτερη πρωτεΐνη συνδέεται με την περιοχή προαγωγού ενός γονιδίου, ορισμένες συχνότητες των παλμών φωτός δεν προκαλούν την παραγωγή φθορίζουσων πρωτεϊνών. Εν ολίγοις, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η δεύτερη πρωτεΐνη διασφαλίζει ότι το γονίδιο ανταποκρίνεται μόνο σε ένα συγκεκριμένο σύνολο σημάτων - αλλά οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακριβώς πώς το κάνει η δεύτερη πρωτεΐνη.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι αυτοί μπορεί να ελέγξει τον αριθμό των διαφορετικών σημάτων στα οποία μπορεί να ανταποκριθεί ένα γονίδιο χειρίζοντας τον αριθμό και τον τύπο πρωτεϊνών που συνδέονται με την περιοχή προαγωγού του γονιδίου.

Για παράδειγμα, πρωτεΐνες μπορούν να συνδεθούν στην περιοχή προαγωγέα που χρησιμεύουν ως φίλτρα που περιορίζουν τον αριθμό των σημάτων που ενεργοποιούν ένα γονίδιο. Or, πρωτεΐνες μπορούν να συνδεθούν στην περιοχή προαγωγέα που προκαλούν διαφορετικούς βαθμούς ενεργοποίησης γονιδίου.

«Μια πρόσθετη συμβολή αυτής της εργασίας είναι ότι το προσδιορίσαμε μπορούμε να μεταφέρουμε περίπου 1,71 bits πληροφοριών μέσω της περιοχής προαγωγού του γονιδίου με μία μόνο πρωτεΐνη", λέει ο Lee. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι το γονίδιο, χωρίς πολύπλοκο δίκτυο προσκολλήσεων πρωτεΐνης, είναι σε θέση να διακρίνει με ακρίβεια περισσότερα από 3 σήματα". Σε προηγούμενες εργασίες, αυτή η βασική τιμή ορίστηκε στα 1,55 bit, οπότε αυτή η μελέτη διευρύνει την κατανόησή μας για το τι είναι δυνατό εδώ. Αυτή είναι η βάση πάνω στην οποία μπορούμε να οικοδομήσουμε."

Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η εργασία επιτρέπει μελλοντική έρευνα που θα προωθήσει την κατανόησή μας για τη δυναμική της κυτταρικής συμπεριφοράς και της γονιδιακής έκφρασης.

Βραχυπρόθεσμα, σύμφωνα με τους ερευνητές, το έργο μπορεί να βρει πρακτική εφαρμογή στη φαρμακευτική και βιοτεχνολογικές τομείς.

"Στη βιοπαραγωγή, πρέπει συχνά να ελέγχετε τόσο την ανάπτυξη των κυττάρων όσο και τον ρυθμό με τον οποίο αυτά τα κύτταρα παράγουν ορισμένες πρωτεΐνες", λέει ο Lee."Η δουλειά μας μπορεί να βοηθήσει τους κατασκευαστές να συντονίσουν και να ελέγξουν και τις δύο αυτές μεταβλητές."

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Scienceδρυμα Επιστημών υπό την επιχορήγηση 1830910 "New Frontiers in Research and Innovation" και τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας υπό την επιχορήγηση 5T32GM133366.

Συνιστάται: