Синтетические биологические схемы для реагирования на стресс в окружающей среде

Стресс засухи является основным ограничением на глобальную урожайность сельскохозяйственных культур. Синтетические цепи в растениях могут реагировать на низкий водный потенциал, производя абсциссовую кислоту (ABA) или активируя факторы транскрипции, которые вызывают закрытие стомата, рост корней и накопление осмолита. Примечательным примером является строительство сигнального пути синтетического рецептора ABA в Arabidopsis , который отделяет реакцию на стресс от регулирования роста, позволяя растениям выживать в длительные сухие периоды без серьезного штрафа за урожай. В рисе исследователи ввели синтетический промотор, реагирующий на засуху, который приводит к экспрессии трегалозы-6-фосфатной синтазы, что приводит к повышению содержания трегалозы и улучшению удержания воды. Полевые испытания показали 30-50-процентное увеличение урожайности в условиях умеренной засухи (]Nature Protocols, 2021 .

Температурный стресс и тепловая адаптация

Повышение глобальных температур угрожает как природным экосистемам, так и сельскому хозяйству. Синтетические схемы могут обеспечивать программируемую теплотолерантность. Например, схема, основанная на факторе теплового шока σ32 в E. coli, может быть переоборудована для экспрессии шаперонов и протеаз, которые повторно заменяют денатурированные белки. Более сложные схемы включают чувствительный к температуре транскрипционный репрессор, который высвобождает свою цель только выше пороговой температуры, что позволяет точно контролировать защитный ответ. В исследовании, подтверждающем концепцию, дрожжи, спроектированные с помощью синтетического контура уклонения от тепла, пережили температуры на 4 ° C выше, чем контрольные схемы дикого типа, сохраняя при этом нормальный рост при допустимых температурах. Для растений теплочувствительные синтетические промоторы, полученные из сети транскрипционных факторов HSFA1, объединяются с генами, кодирующими белки и антиоксиданты теплового шока.

Соленость и pH стресс

Соленость почвы и подкисление усугубляют экологические стрессы. Синтетические схемы были построены, чтобы ощущать внешние уровни натрия через натрие-чувствительные двухкомпонентные системы (например, варианты EnvZ / OmpR), а затем активировать натриево-водородные антипортеры для экспорта избыточной соли. В модели микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii , синтетический легкопереключаемый контур был объединен с соль-отзывчивым промотором для повышения выработки глицерина, что позволило бы увеличить рост в 0,5 М NaCl - концентрация, которая ранее была бы смертельной. Для кислых сред (pH < 4), circuits using the acid-inducible Asr system from E. coli или регулятора OhrR от Bacillus subtilis позволяют клеткам активировать протонные эффлюксные насосы и производить буферные молекулы.

Тематические исследования: схемы в действии

Чувствительность и нейтрализация мышьяка в питьевой воде

Загрязнение подземных вод мышьяком затрагивает миллионы людей во всем мире. Хорошо охарактеризованная синтетическая схема, «Биосенсор мышьяка», разработанная командой iGEM 2010 года из Эдинбургского университета, использует репрессор ArsR для контроля экспрессии GFP. Схема была позже модифицирована, чтобы включить «переключатель убийства», который лизает клетку после обнаружения, чтобы выпустить видимый сигнал или противоядие. Последующие итерации включали петлю положительной обратной связи для улучшения чувствительности, достигая обнаружения до 10 ppb мышьяка - ниже руководства ВОЗ 50 ppb. Схема была протестирована в замороженном, бумажном формате для развертывания на местах в Бангладеш (]ACS Synthetic Biology, 2015 ).

Инженерные ризобактерии для адаптированных к засухе культур

Вместо того, чтобы разрабатывать саму культуру, некоторые исследователи разрабатывают полезные ризобактерии для переноса синтетических цепей, которые способствуют росту растений в условиях стресса. Например, штамм Pseudomonas putida был оснащен схемой, которая обнаруживает трегалозу (сахар, выделяемый стрессовыми корнями растений) и реагирует на производство ACC-деаминазы, фермента, который снижает уровень этилена в растении и уменьшает ущерб от засухи. Полевые испытания в кукурузе показали увеличение биомассы на 15% в условиях дождевого кормления по сравнению с необработанными контрольными. Этот «пробиотический» подход позволяет избежать регуляторных препятствий трансгенной модификации культур и может быть применен к существующим сортам.

Проблемы и ограничения

Несмотря на значительный прогресс, разработка синтетических биологических схем для реального использования в окружающей среде сталкивается с серьезными препятствиями.

Стабильность и генетический дрейф

Эволюция живых организмов. Синтетическая цепь, которая накладывает метаболическое бремя, например, конститутивная экспрессия фермента детоксикации, будет выбрана против популяции хозяина. Мутации в генетических частях цепи или в геноме хозяина могут заставить замолчать или нарушить регуляцию цепи с течением времени. Стратегии повышения стабильности включают использование ортогональных систем экспрессии, интеграцию цепей в геном (а не плазмиды) и добавление модулей токсин-антитоксин, которые убивают клетки, которые теряют цепь. Даже с этими мерами долгосрочная производительность поля остается неопределенной.

Метаболическое бремя и конкуренция за ресурсы

Каждый белок, вырабатываемый синтетическим контуром, потребляет клеточные ресурсы (АТФ, аминокислоты, рибосомы). В условиях стресса хозяин уже борется; переключение ресурсов на выход цепи может ухудшить рост и выживание, побеждая цель инженерии. Метаболическая инженерия и синтетическая биология сходятся, чтобы создать схемы, которые минимизируют нагрузку, например, используя малокопируемые индуцируемые системы или путем активации контура связи с преимуществом роста (так, что только активные клетки размножаются).

Сдерживание и экологическая безопасность

Выпуск генетически модифицированных организмов (ГМО) в окружающую среду вызывает экологические и нормативные проблемы. Синтетические схемы могут быть оснащены системами биосодержания, такими как ауксотрофии (требующие искусственного питательного вещества) или выключатели уничтожения, вызванные внешними сигналами (например, температура, свет или небольшая молекула). Однако ни одна стратегия сдерживания не является на 100% надежной; мутации могут нарушать ауксотрофию или выключатель убийства. Исследователи разрабатывают отказоустойчивые конструкции с несколькими ортогональными переключателями и пассивной сдерживающей системой (например, с использованием систем без клеток или инкапсулированных ферментов).

Масштабный переход от лаборатории к полю

Схема, которая прекрасно работает в колбе 50 мл при 37 ° C в богатой среде, может катастрофически провалиться в загрязненном озере или фермерском поле. Условия окружающей среды неоднородны и непредсказуемы: колебания температуры, ультрафиолетовое излучение, хищничество простейшими, конкуренция с местными микробами и пространственно изменчивые питательные вещества обеспечивают все характеристики цепи. Надежная конструкция, адаптация в реальном времени и недорогое производство имеют решающее значение для расширения масштабов. В настоящее время предпринимаются усилия по разработке инкапсулированных «био-таблеток», содержащих высушенные в морозе клетки, которые регидратируют и активируются при воздействии воды, упрощая развертывание поля.

Будущие направления

Следующее десятилетие обещает значительные успехи, которые позволят перенести синтетические экологические схемы из лаборатории в более широкое использование.

Многовходовые, многовходовые схемы

Текущие схемы в основном представляют собой однозадачные устройства. Будущие схемы будут интегрировать несколько экологических сигналов (температура, рН, концентрация загрязняющих веществ, состояние питательных веществ) и производить несколько скоординированных ответов (защита, восстановление, сигнализация и самоуничтожение). Такие схемы потребуют сложной логики и памяти, возможно, с использованием систем записи на основе CRISPR, которые регистрируют события стресса. Возможность хранить «память» воздействия может быть бесценной для мониторинга окружающей среды и для адаптивного управления культурами.

Без клеток и ферментированных схем

Чтобы избежать сложностей и рисков живых организмов, многие исследователи обращаются к синтетической биологии без клеток. В этих системах транскрипция и трансляция восстанавливаются in vitro с использованием клеточных экстрактов или очищенных компонентов. Безклеточные схемы могут быть заморожены на бумаге, пластике или текстиле, создавая биосенсоры, которые стабильны при комнатной температуре в течение нескольких месяцев. Они могут быть спроектированы для обнаружения токсинов в образцах воды и производить видимое изменение цвета. В то время как системы без клеток не имеют самовоспроизведения и самовосстановления живых клеток, они предлагают беспрецедентную безопасность и простоту для мониторинга приложений.