PERSIA اجازه می دهد که دانشمندان مستقیما و بلافاصله رونویسی (تولید RNA) و ترجمه (تولید پروتئین) را با استفاده از RNA کوتاه و برچسب های پپتید که یک سیگنال فلورسنت تولید می کنند اندازه گیری کنند. اعتبار: آزمایشگاه لینکلن MIT

سازندگان مدارهای ژنتیک، به همان سرگردانی سازندگان مدارهای دیجیتال هستند: تست طرح هایشان. با این حال، بر خلاف مهندسان زیست محیطی، مهندسین یک ابزار تست ساده و جهانی دارند – مولتی متر - که می توانند آن را با مدارشان برای اندازه گیری عملکرد مدار تماس دهند. پیتر کار، یک متخصص زیست شناسی ترکیبی در سیستم های مهندسی زیست فناوری و فن آوری گروه آزمایشگاه لینکلن، MIT، می گوید: "هیچ چیز به اندازه این در زیست شناسی جایش خالی نیست."

این موضوع تا همین اواخر صادق بود. پیتر کار و محققان در گروه او یک سیستم را ایجاد کرده اند که آن را به یک "بیومولتیمتر" شبیه ساخته اند. سیستم، به نام PERSIA، از برچسب های فلورسنت برای روشن کردن بخش های مختلف یک مدار ژنتیکی استفاده می کند و به محققان اجازه می دهد تا کارهای بیولوژیکی مانند رونویسی، ترجمه و سایر فعالیت های آنزیمی را در شرایط آزمایشگاهی به صورت بلادرنگ انجام دهند. مقاله ای که این کار را توصیف می کند در مجله ACS Biology Synthetic منتشر شده است.

دیوید والش، مؤلف همکار، می گوید: "ما اکنون راهی برای تست سریع طرح های جدید کد ژنتیکی در ژن های خاص داریم. ما اکنون می توانیم در یافتنِ اینکه چگونه با DNA سؤال و جواب کنیم تسریع نماییم."

برچسب‌های فلورسنت

برای متخصصین زیست شناسی ترکیبی به منظور ساخت سلول هایی که آن طوری که آنها می گویند – مثلاً برای مصون بودن در مقابل یک ویروس - کار کنند، آنها باید بتوانند به سلول بگویند که کدام ژن ها را اظهار دارد. برای انجام این کار، آنها از DNA ترکیبی استفاده می کنند تا مدارهای ژنتیکی‌ای را برنامه ریزی کنند که رفتار سلول را کنترل می کنند. با اندازه گیری رونویسی (فرآیندی که با آن DNA یک ژن به RNA کپی می شود) و ترجمه (فرایندی که با آن این RNA برای تولید پروتئین خوانده می شود)، مهندسان زیستی می توانند بدانند که یک مدار تا چه حد خوب کار می کند.

پروتئین هایی مانند پروتئین فلورسنت سبز (GFP) تاکنون یک ابزار تست مورد علاقه برای اظهار ژن بوده اند. با چنین روش هایی، یک ژن که دستورالعمل هایی برای تولید رنگدانه های فلورسنت را حمل می کند می تواند به یک ژن در دنباله DNA متصل شود که یک پروتئین مورد علاقه را تولید می کند. تابش GFP به زیست شناسان اجازه می دهد که بدانند که این پروتئین در حال تولید شدن است.

در حالی که GFP برای تحقیقات زیستی نقش تغییر دهنده بازی را داشته است، محدودیت های خود را نیز دارد. یکی از آنها این است که پروتئین های فلورسنت بزرگ هستند، حاوی بیش از 200 اسید آمینه هستند که منابع محدود در آزمون in-vitro را می بلعند و ممکن است با عملکرد طبیعی پروتئین مورد علاقه تداخل داشته باشند. همچنین گسیل سیگنال آنها زمانبر است؛ به این ترتیب، GFP یک خبرنگار گذشته است و زمانی که کارها به صورت طراحی شده پیش نمی رود، مشخص نیست که اشتباه چه و چه زمانی بوده است.

از سوی دیگر، PERSIA از برچسب های کوچک فلورسنت الحاق شده به پروتئین مورد نظر محقق استفاده می کند. از آنجایی که برچسبهای PERSIA خیلی کوچک هستند، می توانند به پروتئین ها در هر جایی در داخل یک مدار ژنتیکی متصل شوند، و با این کار اجازه مطالعه قسمت های مختلف آن را بدهند. آنها همچنین تا چندین دقیقه از GFP سریعتر گسیل می یابند، که بیشتر نمایشگر نرخ های زنده رونویسی و ترجمه هستند.

کار می گوید: "ما داریم GFP ها را با چیزی کوچکتر جایگزین می کنیم که در حرکت به اطراف و پیکربندی مجدد آسان تر است و داریم سیگنال های فلورسنت را همان طور که این روندها رخ می دهد اندازه گیری می کنیم."

اسفناج نام برچسب RNA است که به یک ژن متصل است. این برچسب، هنگامی که DNA ژن به RNA رونویسی می شود و همان طور که به یک معرف شیمیایی در مخلوط PERSIA واکنش نشان می دهد، به رنگ سبز تابش می کند. برچسب دومی به نام پپتید نیز به ژن متصل شده است. این برچسب همان طور که در انتهای یک پروتئین ترجمه می شود و به محض واکنش با یک معرف شیمیایی دیگر در مخلوط PERSIA به نام ReAsH به صورت قرمز تابش خواهد کرد.

PERSIA می تواند در دستگاه های میکروسیالی مانند این مورد استفاده قرار گیرد که می تواند 96 واکنش بیوشیمیایی موازی با حجم هایی 1000 برابر کوچکتر از آنهایی که توسط ظرف های کشت مرسوم مورد نیاز است را اجرا کند. اعتبار: آزمایشگاه MIT لینکلن

در خلال یک آزمایش، تمام این اجزاء - توالی های DNA رمزگذاری شده با برچسب و معرف ها - با هم مخلوط می شوند. تابش دیده بانی می شود. مقدار و فعالیت RNA و پروتئین ها، محصولات رونویسی و ترجمه، اساسا بلافاصله شناخته می شوند.

طرح های ژنتیکی و بالینی

به دلیل تابش سریع آن، PERSIA می تواند ارزیابی طرح های کد ژنتیکی را تسریع کند و به عنوان ابزار غربالگری برای شکست های واضح عمل کند. اسکات ویک، نویسنده اول این مقاله می گوید: "شما می توانید آنچه را که قرار است اتفاق افتد، برجسته سازید." ما اکنون می توانیم در یافتنِ اینکه چگونه با DNA سؤال و جواب کنیم تسریع نماییم. "هفته ها اگر نه ماه ها، برای ساخت نمونه اولیه، آزمایشات طرح های مختلف و آزمایش های مستقیم بیشتری پیش از کاوش این کدهای مهندسی شده صرف شده است."

توسعه دهندگان، PERSIA را با استفاده از آن برای غربالگری بازطراحی های خود از کد ژنتیکی E. coli آزمایش کردند. تغییرات در سیگنال فلورسنت ReAsH نشان داد که یکی از بازطراحی های آنها باعث کاهش نرخ ترجمه شد. سپس آنها بررسی کردند که کدام تغییرات ژنتیکی به طور خاص ممکن است مسئول این نقص باشد و DNA ترکیبی را برای ارزیابی بهترین حدس هایشان ساختند. با تنها کمی تعدیل دنباله DNA و آزمایش هایی با PERSIA ، طرح ژن تجدید نظر شده آنها به پرباری ژن E. coli اصلی بود.

منبع: کایلی فوی، مؤسسه فناوری ماساچوست