Mustergeneration bei Bakterien
Die Analyse zellulärer Genregulationsnetzwerke (gene regulatory networks, GRN) ist ein komplexes Unterfangen. GRN sind natürlich vorkommende Informationsverarbeitungsmodule, die Entwicklungsprozesse steuern. Um die Musterbildung bei höheren Eukaryoten zu verstehen, muss erforscht werden, wie durch Translation genetischer Informationen die Zelldifferenzierung eingeleitet und spezifische räumliche Muster erzeugt werden. Bekannt ist, dass die Erzeugung spezifischer Farben von der Morphogenkonzentration im Signalmolekül Morphogen abhängt. Zum Beispiel aktivieren hohe, mittlere oder niedrige Morphogendosen jeweils einen blauen, weißen bzw. roten Genstreifen. Die Forscher von "Synthetic gene regulatory networks for single-stripe gene expression" (SYNTHSTRIPE) synthetisierten daher GRN, um Streifen zu erzeugen und die Eigenschaften und Funktion von GRN näher zu beschreiben. Frühere Studien hatten Gennetze mit vorgegebenen Verhaltensweisen auf einer Fall-zu-Fall-Basis konstruiert. Für die Konstruktion von GRN mit drei Knoten wurden Modelle und experimentelle Daten zur Konzentration von messengerRNA in jedem Gen zusammengeführt und dessen Funktion beschrieben. Die Forscher erweiterten den derzeitigen Stand der Technik, indem sie synthetische, streifenbildende Gennetzwerke erzeugten. Insbesondere können nun mit dem Prototypen eines flexiblen Netzwerk-Scaffolds unterschiedliche Netztopologien konstruiert werden. In diesem Fall wurden vier inkohärente FFL-Netzwerke (feed-forward loops) für die Streifenbildung generiert. Gearbeitet wurde mit RNA-Polymerasen von T7- und SP6-Phagen sowie Aktivatoren und spezifischen bakteriellen Transkriptionsfaktoren, etwa Repressoren. Neben der Regulierung der Streifenbildung in diesen synthetischen GRN generierten die Forscher auch ein Anti-Streifenmuster. Die Projektergebnisse zeigen, dass die Entwicklung eines standardisierten Konzepts für Netzwerke entsprechend Genotyp-Phänotyp-Karten flexibler und aussagefähiger ist als das Fall-basierte Design von GRN. Mit diesem Ansatz in der synthetischen Biologie können bislang unbekannte Aspekte im Zusammenhang mit dem Genom geklärt werden. Das Wissen wird sich für viele Anwendungen in der Biotechnologie über den Umweltschutz bis hin zur Biomedizin nutzen lassen.
Schlüsselbegriffe
Synthetische Biologie, Streifenbildung, Genregulationsnetzwerke, Morphogen, Genexpression
