Результаты опубликованы в Интернете в первом выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.Этот основной набор генов является «наименьшим общим знаменателем, который необходим микробам, чтобы стать функциональными», — сказал Бернхард Палссон, профессор биоинженерии Галетти в Калифорнийском университете в Сан-Диего и автор статьи. «Если в клетке отсутствует какой-либо из генов из этого набора, она не может ни функционировать, ни выжить».По мнению исследователей, эти открытия могут открыть новые возможности для приложений клеточной инженерии.
Рассмотрим, например, генную инженерию микробов для производства химикатов с добавленной стоимостью. Этот процесс инженерии обычно осуществляется путем внесения изменений в генетический состав клетки, что может закончиться игрой с основными генами и функциями клетки, что приведет к «больной» клетке.
Вместо того, чтобы подвергать риску основные гены и функции клетки, новый инженерный подход может включать создание клетки, начиная с основного набора, и добавляя дополнительные желаемые функции, такие как химическое производство. В документе PNAS представлены минимальные основные компоненты, которые абсолютно необходимы для включения в чертежи инженерной ячейки.«Определив жизненно важный набор генов и функций, которые должны всегда присутствовать в клетке для поддержания жизни, мы можем начать реализовывать новые способы создания клетки для оптимизации производства желаемого продукта без ущерба для здоровья клетки», — сказал Лоуренс. Янг, научный сотрудник исследовательской группы системной биологии Палссона в Калифорнийском университете в Сан-Диего и соавтор статьи.
Работа, проводимая исследовательской группой Палссона в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, является результатом сотрудничества с экспертами по численным и статистическим данным из Стэнфордского университета.Определение основного набора генов и функций клеточной жизниВ этом исследовании исследователи определили основной набор генов и функций как «палеом», имея в виду наследственные гены и белки, которые лежат в основе поддержания жизни микробных клеток.«Другие подходы пытались определить палеом, сравнивая последовательности генома и находя портфель генов, который казался похожим во всех этих последовательностях.
Это просто определяет минимальный геном. Наше определение палеома требует более комплексного подхода. — определение, основанное на системной биологии, которое учитывает не только минимальный набор генов, но и минимальный набор функций, реакций и процессов, необходимых для построения клетки », — сказал Палссон.Подход команды к определению палеома основан на компьютерной модели роста клеток E. coli в масштабе генома. Исследователи разработали эту модель для учета всех метаболических процессов и процессов экспрессии генов в клетке.
Используя эту модель, исследователи смоделировали рост хорошо изученного штамма E. coli в 333 различных условиях роста. В каждом моделируемом состоянии роста основной источник питательных веществ в питательной среде (углерод, азот, фосфор или сера) варьировался.
Команда наблюдала, какой набор генов постоянно экспрессируется во всех различных средах роста, и использовала этот набор для построения палеомы. В общей сложности команда определила 356 генов, которые были экспрессированы во всех этих симуляциях.«Наше определение палеомы представляет основную функцию не только хорошо изученного штамма E. coli, но также и другого штамма E. coli и трех других микроорганизмов. Мы надеемся использовать этот палеом в качестве стартового набора для быстрого создания новое поколение моделей роста клеток в масштабе генома для других организмов », — сказал Ян.
«От больших данных к знаниям»«Это исследование является примером так называемого исследования« от больших данных к знаниям », — добавил Палссон.«Мы демонстрируем, что можем брать большие наборы данных, объединять их вместе и анализировать для получения знаний. В этом случае мы использовали большие объемы экспериментальных данных и интегрировали их в виде вычислительной модели, чтобы прийти к нашей системной биологии. определение палеомы ".