В последние десятилетия получила развитие синтетическая биология, в рамках которой создают уникальные биологические системы с «запрограммированными» функциями и свойствами. Результаты этих исследований можно использовать в разработке биосенсоров, платформ для доставки лекарств и биокомпьютеров. Ученые из Пермского Политеха повысили точность работы репрессилятора – искусственной замкнутой цепи, которая позволит прогнозировать поведение генетических систем.

Результаты работы ученые опубликовали в журнале «Компьютерные исследования и моделирование». Разработка была реализована при поддержке Министерства науки и высшего образования России и НОЦ мирового уровня «Рациональное недропользование».

«Синтетическая биология позволяет создавать искусственные цепи ДНК и биологические системы, «программируя» генетический код живых организмов. В частности, это поможет в разработке биосенсоров, платформ для доставки лекарств и биологических компьютеров. Предполагается, что можно спрогнозировать поведение генетической системы до ее воплощения в жизнь. Модель искусственной генной цепи – репрессилятора – позволяет воспроизводить динамические процессы, происходящие при экспрессии генов», – рассказывает один из разработчиков, аспирант кафедры прикладной физики Пермского Политеха Максим Бузмаков.

Схематическое изображение генной сети репрессилятора с запаздыванием / ©Пресс-служба ПНИПУ

Первый репрессилятор создали в 2000 году. Он представляет собой замкнутую малоразмерную цепь из трех генов, которые подавляют возможность производства белка друг друга. Гены имеют естественное происхождение, но в такой комбинации в природе не встречаются. По словам ученых, благодаря подобному устройству цепи возникают колебания концентраций белка, которые обеспечивают функционирование клеток.

Ученые Пермского Политеха описали динамические процессы в искусственной генной цепи и усовершенствовали точность ее работы. Для этого они предложили использовать репрессилятор с запаздыванием. По их словам, процессы экспрессии генов состоят из многоэтапных реакций, в ходе которых образуются ансамбли сложных органических соединений. Эти процессы распределены по пространству, растянуты по времени и идут с запаздыванием. Сильные отклонения величин в генной цепи и небольшое количество молекул требуют учета случайных и неопределенных факторов.

Один из разработчиков, аспирант кафедры прикладной физики Пермского Политеха Максим Бузмаков / ©Пресс-служба ПНИПУ

«Уникальность технологии заключается в методе моделирования генетической системы. Мы заменили процессы транскрипции и трансляции генов запаздыванием экспрессии. Это позволило значительно упростить модель, не потеряв динамических свойств системы. Модель дает представление о том, как изменяется концентрация белка в системе с течением времени. Наша разработка также позволит отслеживать движение белковых полей в пространстве в результате взаимодействия клеток с репрессиляторами», – поясняет научный руководитель разработчика, заведующий кафедрой прикладной физики Пермского Политеха, ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук, доцент Дмитрий Брацун.

Ученые создали численный алгоритм и программный комплекс, а также провели их тестовые расчеты. Это позволило получить более точную информацию о поведении системы, что не удавалось сделать ранее с помощью других методов.