プログラム可能な細胞：天然と工学の遺伝子ネットワークのインターフェース

適切に設計された入力および出力インターフェイスを介して、細胞の自然調節回路に操作された遺伝子ネットワークを結合することにより、新しい細胞の挙動と特性を得ることができます。ここでは、設計された遺伝的回路を使用して、生物学的信号に反応する細胞を所定のプログラム可能な方法で構築する方法を示します。モジュラー設計戦略を採用して、遺伝的トグルスイッチがインターフェースされる大腸菌株を作成します。（i）DNA損傷に応答するSOSシグナル伝達経路、および（ii）ビブリオフィッシェリからのトランスジェニッククォーラムセンシングシグナル伝達経路。遺伝的トグルスイッチは、これらの株にバイナリ応答ダイナミクスと、過渡シグナルに応答した持続的な表現型の変化をサポートするエピジェネティックな継承を授与します。これらの特徴は、細胞集団が臨界密度に達するとタンパク質合成を活性化するDNA損傷剤および細胞に応答してバイオフィルムを形成するエンジニア細胞に活用されます。私たちの研究は、プログラム可能な動作を備えたセルを作成するために使用できる「プラグアンドプレイ」遺伝的回路の開発に向けた一歩を表しています。

Novel cellular behaviors and characteristics can be obtained by coupling engineered gene networks to the cell's natural regulatory circuitry through appropriately designed input and output interfaces. Here, we demonstrate how an engineered genetic circuit can be used to construct cells that respond to biological signals in a predetermined and programmable fashion. We employ a modular design strategy to create Escherichia coli strains where a genetic toggle switch is interfaced with: (i) the SOS signaling pathway responding to DNA damage, and (ii) a transgenic quorum sensing signaling pathway from Vibrio fischeri. The genetic toggle switch endows these strains with binary response dynamics and an epigenetic inheritance that supports a persistent phenotypic alteration in response to transient signals. These features are exploited to engineer cells that form biofilms in response to DNA-damaging agents and cells that activate protein synthesis when the cell population reaches a critical density. Our work represents a step toward the development of "plug-and-play" genetic circuitry that can be used to create cells with programmable behaviors.