Νέα έρευνα από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας αποδεικνύει ότι τα γονίδια είναι ικανά να αναγνωρίζουν και να ανταποκρίνονται σε κωδικοποιημένες πληροφορίες σε φωτεινά σήματα, καθώς και να φιλτράρουν εντελώς ορισμένα. Η μελέτη δείχνει πώς ένας μόνο μηχανισμός μπορεί να προκαλέσει διαφορετικές συμπεριφορές από το ίδιο γονίδιο - και έχει εφαρμογές στον τομέα της βιοτεχνολογίας.
Για τη μελέτη αυτή, οι ερευνητές τροποποίησαν ένα κύτταρο ζύμης έτσι ώστε να διαθέτει ένα γονίδιο που παράγει φθορίζουσες πρωτεΐνες όταν το κύτταρο εκτίθεται σε μπλε φως.
Να πώς λειτουργεί αυτό. Μια περιοχή του γονιδίου που ονομάζεται υποκινητής είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο της δραστηριότητας του γονιδίου. Στα τροποποιημένα κύτταρα ζύμης, μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη προσδένεται στην περιοχή του υποκινητή του γονιδίου. Όταν οι ερευνητές φωτίζουν με μπλε φως την πρωτεΐνη αυτή, γίνεται δεκτική σε μια δεύτερη πρωτεΐνη. Όταν η δεύτερη πρωτεΐνη συνδέεται με την πρώτη πρωτεΐνη, το γονίδιο γίνεται ενεργό. Και αυτό ανιχνεύεται εύκολα, αφού το ενεργοποιημένο γονίδιο παράγει πρωτεΐνες που λάμπουν στο σκοτάδι.Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέθεσαν αυτά τα κύτταρα ζύμης σε 119 διαφορετικά μοτίβα φωτός. Κάθε μοτίβο φωτός διέφερε ως προς την ένταση του φωτός, τη διάρκεια κάθε παλμού φωτός και τη συχνότητα εμφάνισης των παλμών. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χαρτογράφησαν την ποσότητα της φθορίζουσας πρωτεΐνης που παρήγαγαν τα κύτταρα σε απόκριση σε κάθε μοτίβο φωτός.
Οι άνθρωποι μιλούν για τα γονίδια που ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται, αλλά είναι λιγότερο σαν διακόπτης φωτός και περισσότερο σαν διακόπτης ροοστάτη - ένα γονίδιο μπορεί να ενεργοποιηθεί λίγο, πολύ ή οπουδήποτε στο ενδιάμεσο. Εάν ένα συγκεκριμένο μοτίβο φωτός οδήγησε στην παραγωγή μεγάλης ποσότητας φθορίζουσας πρωτεΐνης, αυτό σημαίνει ότι το μοτίβο φωτός έκανε το γονίδιο πολύ ενεργό. Εάν το μοτίβο φωτός οδήγησε στην παραγωγή λίγης μόνο φθορίζουσας πρωτεΐνης, αυτό σημαίνει ότι το μοτίβο προκάλεσε μόνο ήπια δραστηριότητα του γονιδίου.
"Διαπιστώσαμε ότι διαφορετικά μοτίβα φωτός μπορούν να παράγουν πολύ διαφορετικά αποτελέσματα όσον αφορά τη γονιδιακή δραστηριότητα", λέει η Jessica Lee, πρώτη συγγραφέας της εργασίας και πρόσφατη απόφοιτος διδακτορικού από το NC State. "Η μεγάλη έκπληξη, για εμάς, ήταν ότι η έξοδος δεν συσχετιζόταν άμεσα με την είσοδο. Η προσδοκία μας ήταν ότι όσο ισχυρότερο ήταν το σήμα, τόσο πιο ενεργό θα ήταν το γονίδιο. Αλλά αυτό δεν ίσχυε απαραίτητα. Ένα μοτίβο φωτός μπορεί να έκανε το γονίδιο σημαντικά πιο ενεργό από ένα άλλο μοτίβο φωτός, ακόμη και αν και τα δύο μοτίβα εξέθεταν το γονίδιο στην ίδια ποσότητα φωτός".
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι και οι τρεις μεταβλητές του φωτεινού μοτίβου - η ένταση του φωτός, η συχνότητα των φωτεινών παλμών και η διάρκεια κάθε παλμού - μπορούσαν να επηρεάσουν τη γονιδιακή δραστηριότητα, αλλά διαπίστωσαν ότι ο έλεγχος της συχνότητας των φωτεινών παλμών τους έδωσε τον πιο ακριβή έλεγχο της γονιδιακής δραστηριότητας.
"Χρησιμοποιήσαμε επίσης τα πειραματικά δεδομένα εδώ για να αναπτύξουμε ένα υπολογιστικό μοντέλο που μας βοήθησε να κατανοήσουμε καλύτερα γιατί διαφορετικά μοτίβα παράγουν διαφορετικά επίπεδα γονιδιακής δραστηριότητας", λέει η Leandra Caywood, συν-συγγραφέας της δημοσίευσης και διδακτορική φοιτήτρια στο NC State.
"Για παράδειγμα, διαπιστώσαμε ότι όταν συνδυάζετε γρήγορους παλμούς φωτός πολύ κοντά μεταξύ τους, έχετε μεγαλύτερη γονιδιακή δραστηριότητα από ό,τι θα περιμένατε από την ποσότητα του φωτός που εφαρμόζεται", λέει η Caywood. "Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, μπορέσαμε να προσδιορίσουμε ότι αυτό συμβαίνει επειδή οι πρωτεΐνες δεν μπορούν να διαχωριστούν και να επανέλθουν μαζί αρκετά γρήγορα για να ανταποκριθούν σε κάθε παλμό. Βασικά, οι πρωτεΐνες δεν έχουν χρόνο να διαχωριστούν πλήρως μεταξύ των παλμών, οπότε περνούν περισσότερο χρόνο συνδεδεμένες - που σημαίνει ότι το γονίδιο περνάει περισσότερο χρόνο ενεργοποιημένο. Η κατανόηση αυτού του είδους της δυναμικής είναι πολύ χρήσιμη για να μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς να ελέγχουμε καλύτερα τη γονιδιακή δραστηριότητα χρησιμοποιώντας αυτά τα σήματα".
"Το εύρημά μας είναι σχετικό για τα κύτταρα που ανταποκρίνονται στο φως, όπως αυτά που βρίσκονται στα φύλλα", λέει ο Keung. "Αλλά μας λέει επίσης ότι τα γονίδια ανταποκρίνονται σε μοτίβα σημάτων, τα οποία θα μπορούσαν να παραδίδονται από μηχανισμούς άλλους από το φως".
Να πώς μπορεί να μοιάζει αυτό στην πράξη. Ένα κύτταρο μπορεί να λάβει ένα χημικό σήμα. Η παρουσία της χημικής ουσίας δεν μπορεί να καθοριστεί - είτε είναι παρούσα είτε όχι. Ωστόσο, το κύτταρο μπορεί να ανταποκριθεί στην παρουσία της χημικής ουσίας δημιουργώντας ένα πρότυπο σήμα για το γονίδιο-στόχο. Το κύτταρο το κάνει αυτό ελέγχοντας τον ρυθμό με τον οποίο η πρωτεΐνη που συνδέεται με την περιοχή υποκινητή εισέρχεται και εξέρχεται από τον πυρήνα του κυττάρου. Σκεφτείτε ότι ο έλεγχος της παρουσίας και της απουσίας αυτής της πρωτεΐνης είναι η αποστολή ενός μηνύματος κώδικα Μορς από το κύτταρο προς το γονίδιο. Ανάλογα με μια σειρά άλλων μεταβλητών - όπως η παρουσία άλλων χημικών ουσιών - το κύτταρο μπορεί να ρυθμίσει το μήνυμα που στέλνει στο γονίδιο, προκειμένου να διαμορφώσει τη δραστηριότητά του.
"Αυτό μας λέει ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ίδια πρωτεΐνη για να δώσετε διαφορετικά μηνύματα στο ίδιο γονίδιο", λέει ο Keung. "Έτσι, το κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιήσει μια πρωτεΐνη για να έχει ένα γονίδιο διαφορετική απόκριση σε διαφορετικές χημικές ουσίες".
Σε μια ξεχωριστή σειρά πειραμάτων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα γονίδια ήταν επίσης σε θέση να φιλτράρουν ορισμένα σήματα. Οι μηχανισμοί αυτού του γεγονότος είναι τόσο απλοί όσο και μυστηριώδεις. Οι ερευνητές μπόρεσαν να διαπιστώσουν ότι όταν μια δεύτερη πρωτεΐνη συνδεόταν στην περιοχή υποκινητή του γονιδίου, ορισμένες συχνότητες φωτεινών παλμών δεν προκαλούσαν την παραγωγή φθορίζουσας πρωτεΐνης. Εν ολίγοις, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι η δεύτερη πρωτεΐνη εξασφαλίζει ότι ένα γονίδιο ανταποκρίνεται μόνο σε μια συγκεκριμένη σειρά σημάτων -- αλλά οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακριβώς πώς η δεύτερη πρωτεΐνη το επιτυγχάνει αυτό.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι μπορούσαν να ελέγξουν τον αριθμό των διαφορετικών σημάτων στα οποία θα μπορούσε να ανταποκριθεί ένα γονίδιο χειριζόμενοι τον αριθμό και τον τύπο των πρωτεϊνών που συνδέονται με την περιοχή υποκινητή του γονιδίου.
Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να προσαρτηθούν πρωτεΐνες στην περιοχή του υποκινητή που λειτουργούν ως φίλτρα για να περιορίσουν τον αριθμό των σημάτων που ενεργοποιούν το γονίδιο. Ή θα μπορούσατε να προσαρτήσετε πρωτεΐνες στην περιοχή υποκινητή που προκαλούν διαφορετικούς βαθμούς ενεργοποίησης του γονιδίου.
"Μια πρόσθετη συνεισφορά αυτής της εργασίας είναι ότι έχουμε διαπιστώσει ότι μπορούμε να επικοινωνήσουμε πληροφορίες αξίας περίπου 1,71 bit μέσω της περιοχής υποκινητή ενός γονιδίου με μία μόνο προσάρτηση πρωτεΐνης", λέει ο Lee. "Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι το γονίδιο, χωρίς ένα πολύπλοκο δίκτυο πρωτεϊνικών προσκολλήσεων, είναι σε θέση να διακρίνει μεταξύ περισσότερων από 3 σημάτων χωρίς σφάλμα. Προηγούμενες εργασίες είχαν θέσει αυτό το βασικό όριο στα 1,55 bits, οπότε αυτή η μελέτη προάγει την κατανόησή μας για το τι είναι δυνατό εδώ. Είναι ένα θεμέλιο πάνω στο οποίο μπορούμε να βασιστούμε".
Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η εργασία επιτρέπει μελλοντικές μελέτες που προωθούν την κατανόηση της δυναμικής της συμπεριφοράς των κυττάρων και της γονιδιακής έκφρασης.
Στο εγγύς μέλλον, οι ερευνητές λένε ότι υπάρχουν πρακτικές εφαρμογές για το έργο στον τομέα της φαρμακευτικής και της βιοτεχνολογίας.
"Στη βιοπαραγωγή, συχνά θέλετε να διαχειριστείτε τόσο την ανάπτυξη των κυττάρων όσο και τον ρυθμό με τον οποίο αυτά τα κύτταρα παράγουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες", λέει ο Lee. "Η δουλειά μας εδώ μπορεί να βοηθήσει τους κατασκευαστές να ρυθμίσουν και να ελέγξουν και τις δύο αυτές μεταβλητές".