ПНИПУ: найден способ сделать "генетические программы" стабильными
Человечество научилось читать ДНК и редактировать гены, однако создать полноценную генетическую программу — цепочку генов, выполняющую строго заданную задачу, — до сих пор крайне сложно. Такие системы нужны, чтобы клетки могли производить сложные лекарства, например инсулин или противоопухолевые антитела, которые невозможно получить обычным химическим путем. Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая более точно описывает работу искусственных генетических цепей в реальных клетках. Это позволит проектировать более надежные генетические конструкции.Об этом "Газете.Ru" сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Современная синтетическая биология уже умеет встраивать в клетку отдельные гены. Благодаря этому бактерии производят человеческий инсулин, а микроорганизмы синтезируют антибиотики в промышленных масштабах. Однако следующий шаг — создание генетических программ, работающих по расписанию и реагирующих на внешние сигналы, — остается нерешенной задачей.
В 2000 году американский ученый Майкл Эловиц создал первую синтетическую генную сеть — "репрессилятор". В клетку встраивали три гена, соединенных в кольцо: каждый подавлял следующий, формируя циклический ритм. Такая схема должна была работать как биологический "осциллятор" — например, обеспечивать периодическую выработку вещества.
На практике конструкция оказалась нестабильной: в одних клетках колебания быстро затухали, в других становились хаотичными. За 25 лет проблему полностью решить не удалось.
Ученые ПНИПУ разделили реакции на быстрые и медленные и сосредоточились на тех, которые действительно определяют динамику работы схемы. Они создали две модели репрессилятора: одна учитывала задержку синтеза белка, вторая дополнительно включала вероятностный алгоритм, отражающий случайный характер молекулярных событий.
"Расчеты показали, что в модели с учетом вероятности гены синхронизируются в десятки раз быстрее по сравнению с традиционным подходом", — рассказал младший научный сотрудник кафедры "Прикладная физика" ПНИПУ Максим Бузмаков.
Многократные вычисления подтвердили закономерность: при учете вероятности синхронизация происходит примерно в 60 раз быстрее независимо от конкретных параметров. По словам авторов, это объясняет, почему реальные клетки способны быстрее "настраиваться", чем предсказывали старые теории.
Полученные результаты могут изменить подход к созданию генетических программ. Если раньше "случайность" считалась помехой, то теперь она рассматривается как необходимый элемент, помогающий системе быстрее войти в устойчивый ритм.
В перспективе это позволит создавать клетки, которые ритмично вырабатывают лекарственные вещества — например, выделяют инсулин короткими импульсами, как это делает поджелудочная железа, или доставляют препараты строго по заданному графику.
Для пациентов с диабетом это может означать сокращение числа инъекций, а для онкологических больных — более щадящую терапию, при которой лекарство производится самими клетками и поступает импульсно, а не непрерывно.