Advances in genetic circuit design: novel biochemistries, deep part mining, and precision gene expression

Highlights•We review recent advances in the forward design of genetic circuits.•Advanced circuit design concepts pave the way for more complex synthetic cellular regulation.•Part mining and computational design have generated a large regulatory part set.•‘Tuning knobs’ and insulators enable precise control of circuit function.•Genetic circuit engineering is at an inflection point in size and sophistication.Cells use regulatory networks to perform computational operations to respond to their environment. Reliably manipulating such networks would be valuable for many applications in biotechnology; for example, in having genes turn on only under a defined set of conditions or implementing dynamic or temporal control of expression. Still, building such synthetic regulatory circuits remains one of the most difficult challenges in genetic engineering and as a result they have not found widespread application. Here, we review recent advances that address the key challenges in the forward design of genetic circuits. First, we look at new design concepts, including the construction of layered digital and analog circuits, and new approaches to control circuit response functions. Second, we review recent work to apply part mining and computational design to expand the number of regulators that can be used together within one cell. Finally, we describe new approaches to obtain precise gene expression and to reduce context dependence that will accelerate circuit design by more reliably balancing regulators while reducing toxicity.

پیشرفت‌ها در طراحی مدار ژنتیکی: روش‌های جدید بیوشیمیایی، کاوش در بخش‌های عمیق و بیان دقیق ژن

نکات برجسته: ما پیشرفت‌های اخیر در طراحی رو به جلو مدارهای ژنتیکی را بررسی می‌کنیم. مفاهیم طراحی مدار پیشرفته راه را برای تنظیم سلولی مصنوعی پیچیده‌تر هموار می‌کند. * بخش کاوی و طراحی محاسباتی، مجموعه بخش تنظیمی بزرگی را ایجاد کرده‌اند. * "تنظیم دستگیره‌ها" و عایق‌ها کنترل دقیق عملکرد مدار را ممکن می‌سازند. * مهندسی مدار ژنتیک در یک نقطه عطف در اندازه و پیچیدگی قرار دارد. سلول از شبکه‌های تنظیمی برای انجام عملیات محاسباتی برای پاسخ به محیط خود استفاده می‌کند. دستکاری قابل‌اعتماد چنین شبکه‌هایی برای بسیاری از برنامه‌های کاربردی در بیوتکنولوژی ارزشمند خواهد بود؛ به عنوان مثال، در داشتن ژن‌ها تنها تحت مجموعه‌ای از شرایط تعریف‌شده یا اجرای کنترل پویا یا موقتی بیان تغییر می‌کنند. با این حال، ساخت چنین مدارهای تنظیمی مصنوعی یکی از سخت‌ترین چالش‌ها در مهندسی ژنتیک باقی مانده‌است و در نتیجه آن‌ها کاربرد گسترده‌ای پیدا نکرده اند. در اینجا ما پیشرفت‌های اخیر را مرور می‌کنیم که به چالش‌های کلیدی در طراحی رو به جلو مدارهای ژنتیکی می‌پردازند. ابتدا به مفاهیم طراحی جدید، از جمله ساخت مدارهای دیجیتال و آنالوگ لایه‌ای و رویکردهای جدید برای کنترل توابع پاسخ مدار می‌پردازیم. دوم، ما کاره‌ای اخیر را مرور می‌کنیم تا استخراج بخشی و طراحی محاسباتی را برای گسترش تعداد قانون گذارانی که می‌توانند با هم در یک سلول استفاده شوند، به کار ببریم. در نهایت، رویکردهای جدیدی را برای به دست آوردن بیان دقیق ژن و کاهش وابستگی زمینه توصیف می‌کنیم که طراحی مدار را با توازن قابل‌اطمینان‌تر تنظیم کنندگان حین کاهش سمیت تسریع می‌کند.

ترجمه شده با