Podobnie jak inne dyscypliny inżynierskie, biologia syntetyczna ma na celu standaryzację protokołów, umożliwiając wykorzystanie narzędzi o wysoce powtarzalnych funkcjach do badania zagadnień związanych z systemami biologicznymi1,2. Jedną z dziedzin biologii syntetycznej, w której zbudowano wiele systemów kontroli, jest obszar regulacji ekspresji genów3,4. Kontrola ekspresji genów może być ukierunkowana zarówno na poziomy białek, jak i zmienność (szum lub współczynnik zmienności, CV = σ/μ, mierzony jako odchylenie standardowe od średniej), które są kluczowymi cechami komórkowymi ze względu na ich rolę w fizjologicznych i patologicznych stanach komórkowych5,6,7,8. Wiele syntetycznych systemów, które mogą kontrolować poziom białka i szum4,9,10,11,12 zostało zaprojektowanych, tworząc możliwości standaryzacji protokołów w różnych narzędziach.
Jednym z nowatorskich narzędzi do kontrolowania sieci genów, który pojawił się niedawno, jest optogenetyka, umożliwiająca wykorzystanie światła do kontrolowania ekspresji genów13,14,15,16,17. Podobnie jak ich chemiczni poprzednicy, optogenetyczne obwody genowe mogą być wprowadzane do dowolnego typu komórek, od bakterii po ssaki, umożliwiając ekspresję dowolnego genu będącego przedmiotem zainteresowania18,19. Jednak ze względu na szybkie generowanie nowych narzędzi optogenetycznych, pojawiło się wiele systemów, które różnią się architekturą obwodów genetycznych, mechanizmem ekspresji (np. integracja oparta na plazmidzie vs. integracja wirusowa) oraz sprzętem kontrolującym dostarczającym światło11,16,20,21,22,23,24,25. W związku z tym pozostawia to miejsce na standaryzację cech optogenetycznych, takich jak budowa i optymalizacja obwodów genowych, metoda wykorzystania systemu (np. integracja vs. ekspresja przejściowa), narzędzia eksperymentalne wykorzystywane do indukcji i analiza wyników.
Aby poczynić postępy w standaryzacji protokołów optogenetycznych w komórkach ssaków, ten protokół opisuje eksperymentalny proces inżynierii systemów optogenetycznych w komórkach ssaków przy użyciu obwodu genu ujemnego sprzężenia zwrotnego (NF) zintegrowanego z komórkami HEK293 (ludzka embrionalna linia komórkowa nerki) jako przykład. NF jest idealnym systemem do demonstracji standaryzacji, ponieważ występuje w dużej obfitości26,27,28 w przyrodzie, co pozwala na dostrojenie poziomów białka i zminimalizowanie szumów. Krótko mówiąc, NF pozwala na precyzyjną kontrolę ekspresji genów przez represor, który wystarczająco szybko redukuje własną ekspresję, ograniczając w ten sposób wszelkie zmiany od stanu ustalonego. Stan ustalony może być zmieniony przez induktor, który dezaktywuje lub eliminuje represor, aby umożliwić większą produkcję białka, aż do osiągnięcia nowego stanu ustalonego dla każdego stężenia induktora. Niedawno stworzono zmodyfikowany system optogenetyczny NF, który może wytwarzać szeroką dynamiczną odpowiedź ekspresji genów, utrzymywać niski poziom szumów i reagować na bodźce świetlne, co pozwala na przestrzenną kontrolę ekspresji genów11. Narzędzia te, znane jako tunery indukowane światłem (LITers), zostały zainspirowane wcześniejszymi systemami, które umożliwiały kontrolę ekspresji genów w żywych komórkach4,10,29,30 i były stabilnie zintegrowane z ludzkimi liniami komórkowymi, aby zapewnić długoterminową kontrolę ekspresji genów.
Tutaj, na przykładzie LITera, przedstawiono protokół tworzenia obwodów genowych reagujących na światło, indukowania ekspresji genów za pomocą Aparatu Płytki Świetlnej (LPA, sprzętu do indukcji optogenetycznej)31, oraz analizy odpowiedzi zmodyfikowanych, optogenetycznie kontrolowanych linii komórkowych na niestandardowe bodźce świetlne. Protokół ten pozwala użytkownikom na wykorzystanie narzędzi LITer dla dowolnego funkcjonalnego genu, który chcą zbadać. Można go również dostosować do innych systemów optogenetycznych o różnych architekturach obwodów (np. dodatnie sprzężenie zwrotne, negatywna regulacja itp.) poprzez integrację metod i sprzętu optogenetycznego opisanych poniżej. Podobnie jak w przypadku innych protokołów biologii syntetycznej, przedstawione tutaj nagrania wideo i protokoły optogenetyczne mogą być stosowane w badaniach pojedynczych komórek w różnych obszarach, w tym między innymi w biologii raka, rozwoju embrionalnym i różnicowaniu tkanek.