ככל אתגרים סביבתיים גלובליים מתעצמות – החל שינויי אקלים וזיהום לשפל הקרקע ומחסור במים – מדענים מחפשים אסטרטגיות חדשות כדי לשפר את החוסן של מערכות אקולוגיות טבעיות ומהנדסתות. ביולוגיה סינתטית, המשמעת החלת עקרונות הנדסיים לביולוגיה, מציעה ערכת כלים טרנספורמטיבית: היכולת לעצב ולבנות מעגלים ביולוגיים סינתטיים המחיה לאורגניזמים סינתטיים, להגיב, למתחים סביבתיים ולעצב אותם, אפילו לשרירים נקיים, כדי לנתח את התהליכים המשתנים, ולעצב את התהליכים המשתנים, ולעצב אותם.

מה הם מעגלי ביולוגים סינתטיים?

מעגלים ביולוגיים סינתטיים הם רשתות מונדסים של רכיבים גנטיים - מניעים, רצפים, ריבוטים, מכוני דחק ומונחים - אשר אינטראקציה בתוך תא חי לעבד קלטות וליצור פלטים מוגדרים.המונח "סירקיט" הוא שאל במכוון מאלקטרוניקה: בדיוק כמו מעגל אלקטרוני משתמש טרנסיסטורים, מתנגדים, וחוטים לתהליך חשמלי, אותות ביולוגיים, כגון פונקציות הפעלה, כגון אנזימים, כגון פונקציות אלקטרו-מיות, כגון אנזימים, פונקציות של תאים.

השדה הופיע בתחילת שנות ה-2000 עם עבודה יסודית על מתגים גנטיים פשוטים ואוסוציאטורים, כגון מתג העגש והממדן.מאחר כך קהילת הביולוגיה הסינטטית בנתה מעגלים מורכבים יותר ויותר, כולל שערי לוגיקה, מודולים זיכרון ומערכות תקשורת בין-תאיות.עיקרון הליבה הוא מודולריות וסטנדרטיזציה: חלקים ביולוגיים מאופיינים, רשומים במסגרות ציבוריות כמו ה-BBricks (Fimpative Communications Rules) המאפשרים ספציפיים ל-iGeratives (D) ו-iGiferative).

המונחים: environmental Stress-Responsive Circuits

כל מעגל סינתטי המיועד לתגובת מתח סביבתי חייב לכלול לפחות שלושה מודולים פונקציונליים: חיישן, מעבד אות, ומבצעת.החיישנים מזהים את הלחץ - כלומר כרית מתכת כבדה, שינוי טמפרטורה, סמן osmotic ⁇ , או מתאם אורגני ספציפי (Sensing) מייצר בדרך כלל על גורמי תמליל אוסטימי פעולה עם לחץ דם גמישים, אשר לעתים קרובות כרוך בחלבון הדבקה גבוהה.

גישות הנדסה עבור ביצועים מעגליים Robust

תכנון מעגלים שפועלים באופן אמין בהגדרות סביבתיות – רחוק מהתנאים הנשלטים של איקטור מעבדה – דורש שיקול זהיר של רעש, נטל מטבולי ויציבות אבולוציונית.

בית קברות מודולרי ואסיפה סטנדרטית

הזמינות של חלקים מתוחכמים, אוטוקונים חיונית להתנהגות מעגלית צפויה.יוזמה כגון הרישום iGEM ו-FLT:0MIT Parts RegistryFLT:1 ריפא אלפי מקדמים, אתרי מנגנונים מורכבים, ומכונים המשמשים פחות מנגנונים הקשורים לאורגניזם, אשר פועלים ב-FLT:2E coliFLT3, ועוד, הם כוללים לעתים קרובות תאים מורכבים של תאים סביבתיים, כגון אורגניזמים, אשר נמצאים על ידי אורגניזמים שונים, אשר נמצאים על ידי אורגניזמים, או תאים סביבתיים, אשר משמשים פחות.

עיצוב מחשב ומודל

עיצוב רדיונאלי של מעגלים סינתטיים מסתמך יותר ויותר על כלים חישוביים - ממודלים משוואות שונות רגילים שלוכדים קינטיקה תגובה לסימולציות סטוצ'סטיות שמהווים יכולת חד-תאית יחידה (כמו FLT:0SBOL DesignercioFLT:1 ו-FLT:2CelloFLT:3 (a Verilog-to-to-cicuitsrits עבור ביולוגיה) מאפשרים למעבדים פונקציונליים גנטיים כגון תפקוד, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות פונקציונליות פונקציונליות פונקציונליות, כגון, כגון, כגון, תכונות לוגיקה, אשר חייב לכלול, כגון, כלומר, לוגיקה, כגון, לוגיקה, כלומר, כלומר, כדי לתאים רחבות פונקציונליות סביבתית, כלומר, כדי לתאים.

אבולוציה ולמידה מכונה

כאשר עיצוב רציונלי אינו מספק את הביצועים הדרושים - לדוגמה, כאשר חלבון חיישן יש זיקה גרועה או בחירה - האבולוציה מכוונת יכול לייעל את זה. mutagenesis אקראי ואחריו בחירה או הקרנה גרסאות עם תכונות רגישות משופרת או תגובה משופרות. לאחרונה, גישות מכונה, כולל למידה עמוקה ולמידה חיזוק, כבר מוחל על מנת לחזות התנהגות מעגלים ולחקור חללים גדולים של תכונות טבע גנטיקה (Flastative) הן שיטות למידה יעילה יותר, הן כדי להאיץ את מעגל חכם יותר.

תגובות על Environmental Stress Response

היישומים הפוטנציאליים של מעגלים ביולוגיים סינתטיים ללחץ סביבתי הם עצומים.כאן אנו בודקים כמה מקרים של שימוש קונקרטי הנמצאים תחת התפתחות פעילה.

גילוי זיהום ו bioremediation

(ממתים כבדים כגון קדמיום, כספית, ועופרת נשארים ממזהמים מתמידים באתרים תעשייתיים רבים.סינתטיים מעגלים המבוססים על גורמי תעתיק מתכת-תגובה (למשל, מרר לכספים, ArsR for arseic) יכולים לדווח על ריכוזי מתכת על ידי הפעלת ביטוי פעיל של חלבון ביו-מרכזי או אנזימים סינתטיים כבר הוצבו 24 פורמטים של נייר-Fic עבור בדיקות;

סובלנות בצמחים

(ד) לחץ הוא ממריץ עיקרי על התפוקה העולמית של היבול.העיגולים הסינתטיים בצמחים יכולים להגיב לפוטנציאל מים נמוך על ידי הפקת חומצה אבסציסקית (ABA) או על ידי הפעלת גורמים ליתוק אשר מעוררים סגר טבע, צמיחה שורש, ועלייה osmolyte מצטברת של מזון (לדוגמה בולטת היא בניית אות סינתטי ב-ABA ב-LTF:0 Arabures) לתהליכי חום חמורים, אשר מאפשרים גידול של חום-Fose-Fose-p) ל-R2 ליטרים (R) ל-Ricerrepherrepherrephervate).

מתח חום והסתגלות

עלייה בטמפרטורות הגלובליות מאיימת הן על מערכות אקולוגיות טבעיות והן על חקלאות.סיינטות מעגליות סינתטיות יכולות לספק סובלנות חום מצופה.לדוגמה, מעגל המבוסס על גורם גלימה חום ⁇ 32 בFLT:0E. coliphuaFLT 1 יכול להיות מחווט מחדש כדי לבטא צ'ופרנס ו proteases כי מחלבונים סינתטיים יותר.

משקעים ו- pH Stress

(ה) ⁇ וחומצה הם מתחים סביבתיים מורכבים.עיגולים סינתטיים נבנו רמות נתרן חיצוניות תחושה באמצעות מערכת נתרן-תגובה של 2-תגובה (למשל, אנבוקס/אומרסק) ולאחר מכן להפעיל את רמות נתרן/חומצה אנטיגרגורנית כדי לייצא מלח עודף.

מחקרים: מעגלי פעולה

Sensing and Neutralizing Arsenic in שתיית מים

(התחמשות של מים קרקעיים משפיעה על מיליוני אנשים ברחבי העולם. מעגל סינתטי מוכר היטב, "ביוסנסאי" שפותח על ידי צוות iGEM 2010 מאוניברסיטת אדינבורו, משתמש ב-ArsR כדי לשלוט בביטוי של GFP.העיגול שונה מאוחר יותר לכלול "מתחליף" אשר מטשטש את התא לאחר גילוי אותות גלויים או נוגדים של מדבקה (Flowed) כדי לשפר את הרגישות שדה הראייה של 50bents).

הנדסה Rhizobacteria עבור Drought-Adapted Crops

במקום הנדסה של היבול עצמו, כמה חוקרים מהנדס מועיל rhizobacteria לשאת מעגלים סינתטיים אשר לקדם צמיחה צמחית תחת לחץ.לדוגמה, זן של FLT:0Pseudomonas putidaFLT:1 היה מטופח עם מעגל אשר מזהה halose (סוכר שוחרר על ידי שורשים צמחיים מתוחים) ומגיב על ידי ייצור ACC deaminase, שינוי כינורות בדרגה נמוכה יותר של 15% של חומרים כימיים.

אתגרים ומגבלות

למרות התקדמות יוצאת דופן, מעגלים ביולוגיים סינתטיים להפצה סביבתית בעולם האמיתי עומדים בפני מכשולים משמעותיים.

יציבות ודמיון גנטי

אורגניזמים חיים מתפתחים. מעגל סינתטי שמטיל נטל מטבולי – כגון ביטוי חוקתי של אנזים detoxification - ייבחר נגד האוכלוסייה המארחת.מוטציות בחלקים הגנטיים של המעגל או בגנום המארח יכולות להשתיק או לא להחרים את המעגל לאורך זמן. אסטרטגיות לשיפור היציבות כוללות באמצעות מערכות ביטויים אוטגוניים, שילוב מעגלים לתוך הגנום (במקום plasmids), ולהוסיף תאים בלתי בטוחים אלה.

תחרות Metabolic Burden ו- Resource Competition

כל חלבון המיוצר על ידי מעגל סינתטי צורב משאבים סלולריים (ATP, חומצות אמינו, ribosomes) בתנאים מתח, המארח כבר נאבק; ההסתה של משאבים לתפוקה מעגלית יכולה לפגוע בצמיחה ובהישרדות, תוך תבוסת המטרה של הנדסה. הנדסת מטאבולסי וביולוגיה סינתטית הם מתכנסים ליצירת מעגלים הממזערים, למשל באמצעות מספר נמוך-קו-קופית במערכות בלתי ניתנות או באמצעות תאים פעילים (חיים רק כדי הפעלת תאים פעילים).

מכיל ובטיחות סביבתית

החלת אורגניזמים מהונדסים גנטית (GMOs) לתוך הסביבה מעלה חששות אקולוגיים ורגולטוריים.עיגולים סינתטיים יכולים להיות מצוידים במערכות המכילות ביו, כגון uxotrophies (החלים מזין מלאכותי) או מתגים המופעלים על ידי אותות חיצוניים (למשל, טמפרטורה, אור, או מולקולה קטנה).

Scale-Up ממעבדה לשדה

מעגל שעובד יפה ב- 50 mL flask ב 3 ° C בינוני עשיר עשוי להיכשל באופן קטסטרופלי באגם מזוהם או שדה של חקלאי.תנאים סביבתיים הם heterogeneous ובלתי צפוי: תנודות טמפרטורה, קרינת UV, טרף על ידי פרוטוזוה, תחרות עם מיקרובים מקומיים, וספקי חומרים מזינים משתנים מרחביים כל ביצועים מעגליים.

כיוונים עתידיים

העשור הבא מבטיח התקדמות משמעותית שתעביר מעגלים סביבתיים סינתטיים מהמעבדה לשימוש רחב יותר.

Multi-Input, Multi-Output Circuits

מעגלים נוכחיים הם בעיקר מכשירים חד-סנסטיים. מעגלים עתידיים ישלבו רמזים סביבתיים מרובים (טמפרטורה, pH, ריכוז מזוההים, מצב תזונתי) ומפיקים תגובות מתואמות מרובות (הגנה, התחדשות, אות ו הרס עצמי) מעגלים כאלה ידרוש לוגיקה מתוחכמת וזיכרון, אולי באמצעות מערכות הצפנה מבוססות CRISPR, אשר יכולות לאחסן "זיכרון" יכול להתאים לחשיפה סביבתית ליבולים.

תאים נקיים ו- Enzyme- Based Circuits

כדי להימנע מהמורכבות והסיכונים של אורגניזמים חיים, חוקרים רבים פונים לביולוגיה סינתטית ללא תאים. במערכות אלה, תמליל ותרגום הם מחוקקים מחדש:0in vitrophFLT:1 באמצעות תמצית סלולרית או מרכיבים מטוהרים.עיגולים ללא תאים יכולים להקפיא על נייר, פלסטיק או טקסטיל, יצירת ביושרנים כי הם יציבים בטמפרטורה ללא צבע, תוך כדי זיהוי תאים עצמיים, ומודלים ללא צבע.

AI-designed Circuits

למידת מכונה תתאים יותר ויותר לתכנון מעגלים.מודלים המצפים RNA מתקפל, אפילפטיות של חלבון-DNA וחוזק מקדם מרצף בלבד יכול במהירות למסך מיליוני חלקי מועמדים.למידה של כוח מחדש יכול לייעל את הבחירה של חלקים ואת החיוט שלהם כדי להשיג פלט הרצוי כבר, AI כבר שימש לתכנון מקדמים סינתטיים שהם יותר חזקים מוטציות מאשר כל רצף טבעי, כמו גם תכונות, יכול ליצור נתונים אוטונומיים, בקרוב, עיצוב, ללא , 000 כוח אדם, 000, 000, במהירות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח חשיבה מתקדמת, יכול לראות, 000, 000, 000, 000, 000, 000 â â â â â â â â â â ¢ â ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ â ¢ â â ¢ ¢ â â â â â ¢ â â ¢ â â ¢ â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

מסגרת אתית ושיקום

עם כוח גדול מגיעה אחריות גדולה.חלוקת מעגלים סינתטיים בסביבה דורש הערכה זהירה של סיכונים ומעורבות בעלי עניין.הקהילה המדעית היא לדון באופן פעיל מסגרות לחדשנות אחראית: הערכת השפעה אקולוגית, הבטחת שקיפות, ושילוב קהילות מקומיות בקבלת החלטות. הגופים הבינלאומיים כגון האמנה על המגוון הביולוגי שוקלים הנחיות ל"מידע רצף דיגיטלי" ואורגניזמים סינתטיים.

מסקנה

מעגלים ביולוגיים סינתטיים לתגובה של מתח סביבתי הוא שדה מתקדם במהירות בצומת של ביולוגיה, הנדסה ומדע סביבתי.מזהה מתכות כבדות במים כדי לעזור ליבולים לעמוד בבצורת ובחום, מעגלים אלה מציעים כלים מבטיחים לעתיד יציב יותר ובר קיימא.הדרך קדימה כרוכה לא רק חדשנות טכנית - יישום יציבות, צמצום נטל, ומאפשרת פריסת שדה - אלא גם שילוב מחושב עם מערכות אקולוגיות ופעולות ניהוליות, המשך, פיתוח סביבתי, פיתוח סביבתי, וטכנולוגיות ניהוליות, יכולות להפוך לאקלים סטנדרטיות.