Cercetătorii au dezvoltat gene sintetice care funcţionează ca genele din celulele vii. Genele artificiale pot construi structuri intracelulare printr-o secvenţă în cascadă care formează structuri autoasamblate piesă cu piesă. Descoperirea oferă o cale către utilizarea unei suite de componente simple care pot fi programate pentru a crea materiale biomoleculare complexe, cum ar fi tuburi la scară nanometrică din dale de ADN.
Cercetătorii de la facultatea Politehnică a universităţii din California, UCLA, şi de la Universitatea Tor Vergata din Roma, Italia, au dezvoltat gene sintetice care funcţionează ca genele din celulele vii.
Genele artificiale pot construi structuri intracelulare printr-o secvenţă în cascadă care formează structuri de autoasamblare piesă cu piesă. Abordarea este similară construirii de mobilier cu unităţi modulare, asemănătoare celor găsite la IKEA. Folosind aceleaşi piese, se pot construi multe lucruri diferite şi este uşor să dezmembrezi setul şi să reconstruieşti piesele pentru altceva.
Reuşita oferă o cale către utilizarea unei serii de elemente de construcţie simple care pot fi programate pentru a crea materiale biomoleculare complexe, cum ar fi tuburi la scară nanometrică din dale de ADN. Aceleaşi componente pot fi, de asemenea, programate pentru a schimba designul pentru diferite materiale.
„Cercetarea noastră sugerează o modalitate de creştere a complexităţii materialelor biomoleculare prin valorificarea momentului în care instrucţiunile moleculare se autoasamblează, mai degrabă decât prin creşterea numărului de molecule purtătoare ale acestor instrucţiuni”, a declarat Franco. „Acest lucru indică posibilitatea interesantă de a genera materiale distincte care se pot „dezvolta” spontan din acelaşi set finit de părţi prin simpla reconfigurare a elementelor care controlează ordinea temporală a asamblării”, a explicat acesta.
Organismele complexe se dezvoltă dintr-o singură celulă prin diviziune secvenţială şi evenimente de diferenţiere. Aceste procese implică numeroase biomolecule coordonate de cascade de gene care ghidează momentul şi locul activării genelor. Atunci când este recepţionat un semnal molecular, acesta declanşează o serie de gene care se asamblează într-o ordine specifică, conducând la un anumit răspuns biologic.
Un exemplu bine cunoscut în biologie este cascada de gene care controlează formarea segmentelor corpului la musculiţele de fructe. În acest proces, genele sunt perfect sincronizate pentru a declanşa formarea anumitor segmente corporale în ordinea corectă.
„Am avut ideea de a recrea în laborator cascade genetice similare care, în funcţie de momentul activării genelor, ar putea induce formarea sau dezasamblarea materialelor sintetice”, a declarat coautorul Franceso Ricci, profesor de ştiinţe chimice la Universitatea Tor Vergata din Roma.
În acest studiu, cercetătorii au folosit blocuri de construcţie de segmente de ADN formate din câteva şiruri de ADN sintetic. Ei au creat apoi o soluţie care conţine milioane de astfel de segmente de construcţie, care au interacţionat între ele pentru a forma structuri tubulare la scară de microni. Structurile se formează numai în prezenţa unei molecule ARN specifice care declanşează formarea. O moleculă ARN declanşatoare diferită poate, de asemenea, induce dezasamblarea aceloraşi structuri.
Cercetătorii au programat diferite gene sintetice care produc ARN-urile declanşatoare la momente specifice, astfel încât formarea şi dizolvarea structurilor ADN să poată fi cronometrate cu precizie.
Prin conectarea acestor gene între ele, ei au creat o cascadă genetică sintetică, similară cu cea a unei muşte de fructe, care poate controla nu numai momentul în care un anumit tip de structuri ADN se formează sau se dizolvă, ci şi proprietăţile specifice de compoziţie ale acestora la un moment dat.
„Abordarea noastră nu se limitează la structurile ADN, ci poate fi extinsă la alte materiale şi sisteme care se bazează pe sincronizarea semnalelor biochimice”, a explicat primul autor al studiului, Daniela Sorrentino, cercetător postdoctoral în laboratorul de sisteme ADN. „Prin coordonarea acestor semnale, putem atribui funcţii diferite aceloraşi componente, creând materiale care evoluează spontan din aceleaşi părţi. Acest lucru deschide progrese interesante în biologia sintetică şi deschide calea pentru noi aplicaţii în medicină şi biotehnologie”, a precizat cercetătoarea.
