Учёные из университета Калифорнии в Сан-Диего (UCSD) первыми в мире создали стабильно работающие, быстрые, программируемые на генетическом уровне биологические часы. Время они отсчитывают весьма необычным способом: через определённые интервалы значительно повышается светимость флуоресцентных белков внутри клеток бактерий Escherichia coli.

Биологи использовали для этих целей трёхступенчатый подход. Сначала исследователи построили несколько расчётных моделей для конкретной системы (в данном случае для генетических часов), затем на основе моделей определили критерии конструирования и, наконец, создали генетические цепочки и проверили их работоспособность.

Ещё одно поясняющее видео можно посмотреть на этой странице.

По-видимому, учёные имели в виду, что сначала они рассчитали, какой должна быть колония E. coli, которую можно было бы назвать "генетическими часами". Потом они прикинули в уме и, конечно же, на бумаге, что нужно этой самой колонии для того, чтобы мерцать строго по расписанию, снабдили клетки всем необходимым и проверили, соответствует ли увиденное модели, построенной в самом начале.

"Вместо того чтобы проводить бесчисленные подгонки и пытаться понять, что же нужно, мы решили сначала построить модель, создать колонию, а затем в процессе определить, что же не так", — объясняет в пресс-релизе университета один из исследователей, аспирант Скотт Куксон (Scott Cookson).

Пример осцилляции флуоресценции (иллюстрация UC San Diego Jacobs School of Engineering).

Нельзя сказать, что к такому, казалось бы, логическому решению учёные пришли ни с того ни с сего. Руководитель команды Джефф Хасти (Jeff Hasty) работал над созданием более-менее полноценно работающих генетических часов на протяжении последних восьми лет.

И только недавно Джефф и его коллеги в своей лаборатории биодинамики (Biodynamics Lab) смогли создать очень точную микроструйную систему, контролирующую условия, в которых размножались E. coli. Она помогла биологам установить, какие именно изменения состояния среды и как отразились на частоте мерцания.

Зависимость периода осцилляций (вертикальная шкала, в минутах) от различных факторов. IPTG – изопропилтиогалактозид, заставляющий работать гены E. coli определённым образом; G – период деления клетки, арабиноза – источник углерода для бактерий (иллюстрация UC San Diego Jacobs School of Engineering).

Частота мерцания колонии в пробирке зависит от многих параметров: температуры, поступления энергии и прочих факторов среды. Отсюда следует логичный вывод – новое изобретение вполне может послужить естественным биологическим сенсором, рассказывающим о состоянии окружающего пространства посредством мигания (практически Азбука Морзе!).

Данные о проведённом исследовании биоинженеры привели в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Мы наконец-то поняли, что ключевым аспектом в работе системы стала небольшая задержка в отрицательном цикле обратной связи в построенной генетической сети", — рассказывает Хасти.

Диаграмма сети осциллятора с двойной обратной связью, которая и обеспечила столь важный прорыв в синтетической медицине (иллюстрация UC San Diego Jacobs School of Engineering).

Попробуем пояснить: мерцание обусловлено двухминутной задержкой между синтезом матричной РНК и функциональных протеинов.

Над отрицательным (виртуально) расположен положительный цикл обратной связи, который делает искусственные часы более точными и устойчивыми во времени.

Конечно, процессы, регулирующие суточные ритмы высших организмов, куда сложнее. Тем не менее учёные считают, что созданная ими упрощённая схема может считаться эволюционным прообразом современных биологических часов животных.

Всё больше исследований свидетельствуют о том, что функции генов колеблются и в естественных условиях.

"Внутри отдельных клеток активность многих генов то возрастает, то убывает", — говорит Хасти. И после проведённых исследований (построения простых цепей, внутри которых функции генов осциллируют) он уже не удивляется тому, что целый геном способен точно так же усиливать или "приостанавливать" свою работу.

Таким образом, данное исследование тесно связало синтетическую биологию и генетику. Наблюдение за работой сети позволяет понять основы регуляции генов.

"Сборка генов в искусственные цепи, поведение которых мы можем предсказать, значительно прибавляет научному миру знаний о фундаментальных принципах работы клеток", — поясняет один из экспериментаторов Джеймс Андерсон (James Anderson).

Конечно, все нюансы смоделировать в лаборатории невозможно, но, тщательно подумав, можно прийти к выводу – что необходимо учитывать, а что нет, заключает Хасти.

Скотт Куксон проверяет работоспособность одного из чипов (фото UC San Diego Jacobs School of Engineering).

На следующем этапе работ биологи попытаются заставить светиться одновременно всех E. coli, расположившихся внутри пробирки.

О будущем подобных экспериментов и синтетической биологии в целом Джефф говорит так: "Рано или поздно генная терапия себя изживёт, исследователи научатся управлять последовательностями генов и строить ДНК под определённые нужды. Следующей целью станет возможность считывания состояний клетки датчиками – только тогда учёные смогут действовать в соответствии с полученными данными. Мы стремимся к тому, чтобы искусственно построенная цепочка логических решений внутри ДНК помогала нам узнать больше о клетке. Но для этого нужно провести ещё множество фундаментальных исследований по работе генов, чем мы сейчас и занимаемся".