生体細胞における合成リコンビネーゼベースの状態装置

Nathaniel Roquet¹, Ava P Soleimany², Alyssa C Ferris³

¹Synthetic Biology Group, Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA. Synthetic Biology Center, Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA. Biophysics Program, Harvard University, Boston, MA 02115, USA.

Science (New York, N.Y.)

|July 28, 2016

まとめ

研究者はDNAと再結合酵素を用いて細胞状態の機械を設計した. このシステムは入力順序を記録し遺伝子発現を制御し細胞の行動をプログラムする新しい方法を可能にします

科学分野:

合成生物学
分子コンピューティング
遺伝子工学

背景:

生物学的および人工的なシステムにおける順序依存の情報処理には,ステートマシンが不可欠である.
細胞計算のための既存の方法は,しばしばスケーラビリティと遺伝子発現に対する正確な制御が欠けている.
リコンビネーゼ酵素は精密なDNA操作のための強力なツールです

研究の目的:

生きた細胞の中で状態の機械を構築するための新しい枠組みを開発する.
遺伝子発現の精密な制御を化学的インプットの時間的な順序に基づいて可能にします
生物学的イベントのセルラーコンピューティングと記録のための拡張可能なプラットフォームを作成します

主な方法:

細胞状態をエンコードするためにDNA切除と逆転を利用した再結合ベースのシステムを開発した.
エシェリキア・コリ菌で,最大16のDNA状態を制御する化学入力 (1-3) の数値が異なる状態の機械を設計した.
DNAの配列とポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) を統合し,状態の読み取りを便利にします.
遺伝子調節プログラムの自動設計のための計算ツールを作成しました.

主要な成果:

入力シーケンスとタイミングを記録する機能的な状態の機械をE. coliで成功裏に実装しました.
遺伝子発現の複数入力,複数出力制御が実証された.
フレームワークのスケーラビリティと複雑なロジックのエンコーディングの柔軟性を検証した.
迅速なプログラム生成のための計算設計ツールの有用性を示しました.

結論:

リコンビネーゼベースの状態マシンフレームワークは,セルラーコンピューティングのためのスケーラブルで汎用的なプラットフォームを提供します.
この技術は,時的および組み合わせの生物学的イベントの正確な記録を可能にする.
このフレームワークは複雑な細胞行動のプログラミングと複雑な生物学的機能の研究を容易にする.

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