Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hệ thống gần giống tế bào: Phân tích mô phỏng xác suất tại quy mô nano
Tóm tắt
Việc tổng hợp các hình thức sống đơn giản nhất (tế bào tối thiểu) trong phòng thí nghiệm ướt là một thách thức trong sinh học tổng hợp hiện đại. Các hệ thống gần giống tế bào có khả năng sản xuất protein trực tiếp từ DNA có thể được chế tạo bằng cách gói cấu trúc phiên mã/dịch mã không tế bào PURESYSTEM™(PS) trong các liposome. Có thể phát hiện sản xuất protein trong túi bằng cách sử dụng DNA mã hóa cho GFP và theo dõi sự phát xạ huỳnh quang theo thời gian. Việc giam giữ các chất hòa tan trong các liposome thể tích nhỏ là một vấn đề mở cơ bản. Mô phỏng xác suất là một công cụ quý giá trong việc nghiên cứu phản ứng hóa sinh ở quy mô nano. QDC (Quick Direct-Method Controlled), một phần mềm mô phỏng xác suất dựa trên thuật toán SSA nổi tiếng của Gillespie, đã được sử dụng. Một mô hình phù hợp mô tả chính thức mạng lưới phản ứng của PS đã được phát triển, để dự đoán, từ nồng độ các loài bên trong (rất khó đo trong thể tích nhỏ), tín hiệu huỳnh quang kết quả (có thể quan sát thực nghiệm). Nhờ các đặc điểm phù hợp của QDC, chúng tôi đã chính thức hóa mối liên kết động lực học giữa các quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra trong PS thực tế, do đó vượt qua môi trường chỉ diễn ra đồng thời của thuật toán Gillespie. Các mô phỏng được thực hiện đầu tiên cho các liposome lớn (2,67μm đường kính) giam giữ PS để tổng hợp GFP. Bằng cách thay đổi nồng độ ban đầu của ba loại phân tử chính liên quan trong PS (DNA, enzyme, vật liệu tiêu thụ), chúng tôi có thể mô phỏng ngẫu nhiên quá trình sản xuất GFP theo thời gian. Phép phù hợp hình sigmoid của các đường cong sản xuất GFP cho phép chúng tôi trích xuất ba tham số định lượng phụ thuộc đáng kể vào các trạng thái ban đầu khác nhau. Sau đó, chúng tôi mở rộng nghiên cứu này cho các liposome thể tích nhỏ (575 nm đường kính), nơi mà việc suy luận thành phần bên trong túi phức tạp hơn, do các hiện tượng giam giữ bất thường dự kiến. Chúng tôi đã xác định gần hai trạng thái cực đoan có dự đoán sẽ tạo ra các yếu tố quan sát thực nghiệm khác biệt rõ rệt. Công trình hiện tại là công trình đầu tiên mô tả chi tiết hành vi xác suất của PS. Nhờ các kết quả của chúng tôi, một phương pháp thực nghiệm hiện nay trở nên khả thi, nhằm ghi lại động học sản xuất GFP trong các giọt micro-emulsion hoặc liposome rất nhỏ, và suy luận, bằng cách sử dụng mô phỏng như một quy trình kỹ thuật ngược, phân bố các chất hòa tan bên trong, đồng thời làm sáng tỏ các lực còn chưa biết điều khiển hiện tượng giam giữ.
Từ khóa
#sinh học tổng hợp #tế bào tối thiểu #liposome #hệ thống gần giống tế bào #mô phỏng xác suất #GFP #PURESYSTEM #kỹ thuật ngượcTài liệu tham khảo
Szostak JW, Bartel DP, Luisi PL: Synthesizing life. Nature. 2001, 409 (6818): 387-390. 10.1038/35053176.
Forster A, Church G: Towards synthesis of a minimal cell. Molecular systems biology. 2006, 2 ((9140d519-fc79-e312-0a8a-bfb7cec33a4e): 45.
Stano P, Carrara P, Kuruma Y, Pereira de Souza T, Luisi PL: Compartmentalized reactions as a case of soft-matter biotechnology: synthesis of proteins and nucleic acids inside lipid vesicles. Journal of Materials Chemistry. 2011, 21 (47): 18887-18902. 10.1039/c1jm12298c.
Luisi P, Ferri F, Stano P: Approaches to semi-synthetic minimal cells: a review. Naturwissenschaften. 2006, 93 (e975186c-6d35-e5a8-7236-239c98c5ea6f): 1-14.
Walde P, Goto A, Monnard P-A, Wessicken M, Luisi PL: Oparin's Reactions Revisited: Enzymic Synthesis of Poly(adenylic acid) in Micelles and Self-Reproducing Vesicles. Journal of the American Chemical Society. 1994, 116 (17): 7541-7547. 10.1021/ja00096a010.
Oberholzer T, Albrizio M, Luisi PL: Polymerase chain reaction in liposomes. Chemistry & biology. 1995, 2 (10): 677-682. 10.1016/1074-5521(95)90031-4.
Oberholzer T, Nierhaus KH, Luisi PL: Protein expression in liposomes. Biochem Biophys Res Commun. 1999, 261 (2): 238-241. 10.1006/bbrc.1999.0404.
Yu WEI, Sato K, Wakabayashi M, Nakaishi T, Ko-Mitamura EP, Shima Y, Urabe I, Yomo T: Synthesis of Functional Protein in Liposome. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2001, 92 (6): 590-593.
Kuruma Y, Stano P, Ueda T, Luisi PL: A synthetic biology approach to the construction of membrane proteins in semi-synthetic minimal cells. Biochimica et biophysica acta. 2009, 1788 (2): 567-574. 10.1016/j.bbamem.2008.10.017.
Sunami T, Hosoda K, Suzuki H, Matsuura T, Yomo T: Cellular compartment model for exploring the effect of the lipidic membrane on the kinetics of encapsulated biochemical reactions. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids. 2010, 26 (11): 8544-8595. 10.1021/la904569m.
Hosoda K, Sunami T, Kazuta Y, Matsuura T: Quantitative study of the structure of multilamellar giant liposomes as a container of protein synthesis reaction. Langmuir. 2008, 24 (23):
Saito H, Kato Y, Le Berre M, Yamada A, Inoue T, Yosikawa K, Baigl D: Time-resolved tracking of a minimum gene expression system reconstituted in giant liposomes. Chembiochem. 2009, 10 (10): 1640-1643. 10.1002/cbic.200900205.
Luisi P, Allegretti M, Pereira de Souza T, Steiniger F, Fahr A, Stano P: Spontaneous protein crowding in liposomes: a new vista for the origin of cellular metabolism. Chembiochem : a European journal of chemical biology. 2010, 11 (14): 1989-2081. 10.1002/cbic.201000381.
Pereira de Souza T, Steiniger F, Stano P, Fahr A, Luisi P: Spontaneous Crowding of Ribosomes and Proteins inside Vesicles: A Possible Mechanism for the Origin of Cell Metabolism. Chembiochem : a European journal of chemical biology. 2011, (2c6f5d5a-f6b1-7d40-4922-239c9858e542)
Shimizu Y, Inoue A, Tomari Y, Suzuki T: Cell-free translation reconstituted with purified components. Nature. 2001, (28f9cb18-d3a3-328d-ae54-239c98cdc21d)
Stano P: Question 7: New Aspects of Interactions Among Vesicles. Origins of Life and Evolution of Biospheres. 2007, 37 (4): 439-444. 10.1007/s11084-007-9086-1.
Stano P, Rampioni G, Carrara P, Damiano L, Leoni L, Luisi PL: Semi-synthetic minimal cells as a tool for biochemical ICT. Bio Systems. 2012, 109 (1): 24-34. 10.1016/j.biosystems.2012.01.002.
Pereira de Souza T, Stano P, Luisi PL: The Minimal Size of Liposome-Based Model Cells Brings about a Remarkably Enhanced Entrapment and Protein Synthesis. ChemBioChem. 2009, 10 (aaece635-437c-a62d-75d9-239c9855d981):
Pereira de Souza P, Steiniger F, Stano P, Fahr A, Luisi PL: Spontaneous Crowding of Ribosomes and Proteins inside Vesicles: A Possible Mechanism for the Origin of Cell Metabolism. ChemBioChem. 2011, 12 (2c6f5d5a-f6b1-7d40-4922-239c9858e542):
Mavelli F: Stochastic simulations of minimal cells: the Ribocell model. BMC bioinformatics. 2012, 13 (Suppl 4): S10-10.1186/1471-2105-13-S4-S10.
Lazzerini-Ospri L, Stano P, Luisi P, Marangoni R: Characterization of the emergent properties of a synthetic quasi-cellular system. BMC bioinformatics. 2012, 13: S9.
Gillespie DT: Stochastic simulation of chemical kinetics. Annual review of physical chemistry. 2007, 58: 35-55. 10.1146/annurev.physchem.58.032806.104637.
Mavelli F, Piotto S: Stochastic simulations of homogeneous chemically reacting systems. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 2006, 771 (1-3): 55-64. 10.1016/j.theochem.2006.03.016.
Gillespie DT: A general method for numerically simulating the stochastic time evolution of coupled chemical reactions. Journal of Computational Physics. 1976, 22 (4): 403-434. 10.1016/0021-9991(76)90041-3.
Mäkelä J, Lloyd-Price J, Yli-Harja O, Ribeiro A: Stochastic sequence-level model of coupled transcription and translation in prokaryotes. BMC bioinformatics. 2011, 12 (79563a14-1272-feb7-481d-85b1f894f09e): 121.
Stogbauer T, Windhanger L, Zimmer R, Radler JO: Experiment and mathematical modeling of gene expression dynamics in a cell-free system. Integrative Biology. 2012, 4 (b372eb93-1286-890c-a0d2-94e985aa0a47):
Sastry SS, Ross BM: Nuclease activity of T7 RNA polymerase and the heterogeneity of transcription elongation complexes. The Journal of biological chemistry. 1997, 272 (13): 8644-8652. 10.1074/jbc.272.13.8644.
Sorensen MA, Kurland CG, Pedersen S: Codon usage determines translation rate in Escherichia coli. Journal of molecular biology. 1989, 207 (2): 365-377. 10.1016/0022-2836(89)90260-X.
Glass JI, Assad-Garcia N, Alperovich N, Yooseph S, Lewis MR, Maruf M, Hutchison CA, Smith HO, Venter JC: Essential genes of a minimal bacterium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006, 103 (2): 425-430. 10.1073/pnas.0510013103.
Milo R, Jorgensen P, Moran U, Weber G, Springer M: BioNumbers--the database of key numbers in molecular and cell biology. Nucleic acids research. 2010, 38 (Database): D750-753. 10.1093/nar/gkp889.
Skinner GM, Baumann CG, Quinn DM, Molloy JE, Hoggett JG: Promoter binding, initiation, and elongation by bacteriophage T7 RNA polymerase. A single-molecule view of the transcription cycle. The Journal of biological chemistry. 2004, 279 (5): 3239-3244.
Zouridis H, Hatzimanikatis V: A model for protein translation: polysome self-organization leads to maximum protein synthesis rates. Biophys J. 2007, 92 (3): 717-730. 10.1529/biophysj.106.087825.
Kubori T, Shimamoto N: Physical interference between Escherichia coli RNA polymerase molecules transcribing in tandem enhances abortive synthesis and misincorporation. Nucleic acids research. 1997, 25 (13): 2640-2647. 10.1093/nar/25.13.2640.
Brandt F, Etchells SA, Ortiz JO, Elcock AH, Hartl FU, Baumeister W: The native 3D organization of bacterial polysomes. Cell. 2009, 136 (2): 261-271. 10.1016/j.cell.2008.11.016.
Chiarabelli C, Stano P, Luisi PL: Chemical approaches to synthetic biology. Current opinion in biotechnology. 2009, 20 (4): 492-497. 10.1016/j.copbio.2009.08.004.