Sintezni spomin v kvasovkah

Blogger Franc me je skoraj dva tedna nazaj opozoril na novico, ki so jo objavili na Bio.com in me prijazno pozval, da zanimivost s področja sintezne biologije predstavim na svojem blogu. Gre za načrtovano vzpostavitev celičnega spomina pri kvasovkah na osnovi transkripcijskih povratnih zank. Ker je povzetek članka dokaj splošen, sem želel sem priti do celotnega članka (izšel je 15. septembra v reviji Genes and Development), vendar mi prva avtorica na prošnjo do danes ni odgovorila. Vseeno bom poskušal razložiti, kako je mogoče kvasovkam 'vcepiti' spomin, pomagal pa si bom še z novico o tej temi, ki jo je objavil The Scientist (povezava).

Raziskavo so opravili v laboratoriju Pamele Silver na Harvardu, kjer so naredili prve biokocke (standardne biološke dele) za kvasovke. Mogoče bo članek res postal klasični članek s področja sintezne biologije, saj v njem prvič uvajajo pojem 'sinteznega spomina'. Poglejmo, kako je 'sinteza' spomina potekala!

Osnova za uvedbo spomina sta bila dva sintetična gena, ki sta zapisovala za dva transkripcijska faktorja. (Transkripcijski faktorji so proteini, ki uravnavajo prepisovanje DNA v mRNA in lahko odločilno vplivajo na to, koliko nekega proteina bo v celici nastalo.) Prvi transkripcijski faktor (TF1) se je sintetiziral v odvisnosti od sladkorja galaktoze. Galaktoza v gojišču je povzročila aktivacijo gena za TF1. Ta se je nato vezal na DNA in aktiviral gen za drugi transkripcijski faktor (TF2). TF2 je bil izbran tako, da je omogočal aktivacijo lastnega gena, zato se je drugi transkripcijski faktor nenehno sintetiziral. To bi lahko imenovali pozitivna povratna zanka. Produkt je aktiviral biosintezo samega sebe. Transkripcijski faktorji so bili fluorescenčno označeni, zato so lahko spremljali njihovo koncentracijo v živih celicah.

V drugi stopnji poskusa so kvasovke prestavili v gojišče brez galaktoze. Posledično se prvi transkripcijski faktor ni več sintetiziral, kar bi pomenilo, da se tudi TF2 ne bi smel več sintetizirati, saj TF1 deluje kot signal za sprožitev sinteze TF2. Vendarle pa se sinteza TF2 kljub odsotnosti TF1 ni zaustavila - pozitivna povratna zanka je torej delovala še naprej (animacija).

Razlaga rezultata je preprosta: s tem, ko so kvasovkam vstavili gena za transkripcijska faktorja, so jim uvedli spomin - celice so si 'zapomnile', da so predhodno bile v stiku z galaktozo. Celični spomin so kvasovke prenesle tudi na svoje potomce, torej ni mogoče ugovarjati, da je bil spomin prehoden in da traja samo, dokler se TF2 ni razgradil. Spomin je trajal vsaj 8 generacij in to pri 90 odstotkih vseh celic.

Poskus so dopolnili z računalniškim (matematičnim) modelom, ki je dobro razložil dogajanje in vivo. Avtorji trdijo, da so najprej naredili računalniški model, ki jim je služil kot načrt, po katerem so izvedli eksperiment s kvasovkami. S tem so (ponovno) dokazali, da je celične sisteme možno obravnavati z inženirskimi pristopi in na njihovi osnovi graditi celične naprave, ki se odzivejo na kontroliran način. Genetska vezja, ki jih vključimo v celice, torej delujejo po enakih načelih kot elektronska vezja.

Pogovor s prof. Silverjevo o sintezni biologiji v dveh delih (1, 2) je na naslovu Harvard Medical School.

O vključitvi povratne zanke v kvasovke so sicer raziskovalci z EMBL objavili članek že leta 2001, vendar je takrat šlo za neinženirski pristop, tokrat pa naj bi bil računalniški model osnova za izvedbo eksperimenta.
V prihodnje želijo avtorji tokratnega članka enako vezje vključiti v bolj kompleksne sesalske celice.