<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<HTML><HEAD>
<META http-equiv=Content-Type content="text/html; charset=iso-8859-1">
<META content="MSHTML 5.50.4134.100" name=GENERATOR>
<STYLE></STYLE>
</HEAD>
<BODY bgColor=#ffffff>
<DIV><!--StartFragment -->First Genetic Toggle Switch Engineered At Boston 
University</DIV>
<DIV>science daily</DIV>
<DIV>20 Jan 2000<!-- BODY BEGIN --></DIV>
<P class=first><B>On/Off switch holds promise for biotechnology, biocomputing, 
and gene therapy </B></P><!-- RELATED BOX BEGIN --><!-- RELATED BOX END -->
<P>(Boston, Mass.) - The first-ever "genetic toggle switch," designed to control 
the activity of genes, was recently engineered by scientists at Boston 
University's Center for BioDynamics (CBD) and Department of Biomedical 
Engineering. Working with the bacteria Escherichia coli, the researchers were 
able to successfully switch the expression of genes between stable on and off 
states by applying a brief chemical or temperature stimulus. The work is 
reported in the January 20 issue of Nature. </P>
<P>"Regulatory circuits that are stable in both the on and off positions exist 
naturally in some very specialized genetic systems," says James J. Collins, 
director of CBD and co-author, "but this is the first time anyone has been able 
to create a synthetic bistable on/off switch to control the expression of a gene 
- a switch that can be generalized to a variety of genes in many different 
organisms, including human cells." </P>
<P>The toggle also represents the core technology for additional genetic control 
devices. "Minor modifications to the toggle can be made to produce a genetic 
sensor with an adjustable threshold - a system in which genes are activated or 
repressed when a specific threshold is reached," notes Timothy S. Gardner, a 
Ph.D. candidate in biomedical engineering and lead author of the study. "This 
type of sensor would be useful in controlling diabetes, for example, by 
automatically activating the synthesis of insulin when blood glucose reaches a 
particular level." Such a system also has potential applications in the 
detection of biological warfare agents - turning the body's own cells into 
sensors that alert the individual to the presence of dangerous substances, and 
even triggering the production of an antidote. </P>
<P><STRONG>Moreover, the toggle switch itself can function as an artificial 
cellular memory unit, the basis of cell-based computing. "Since Richard 
Feynman's visionary suggestion, in 1959, of engineering submicroscopic devices, 
the concept of nanoscale robotics has sparked researchers' imaginations," says 
Gardner. "In recent years, this possibility has frequently been identified with 
microelectromechanical devices. We suggest that nanoscale robotics may take on a 
'wetter' form, namely, a living cell. Ultimately, we envision the combination of 
genetic toggles, genetic sensors, sequential expression networks, and other 
devices into a 'Genetic Applet' - a self-contained and fully programmable 
genetic network for the control of cell function."</STRONG><NOSCRIPT> 
<HR>
</P>
<P>
<TABLE border=0>
  <TBODY>
  <TR>
    <TD width=164>
      <P><FONT size=-1>Week of 28 January 2000</FONT> </P></TD>
    <TD>
      <P><FONT size=-1>Vol. III, No. 21</FONT> </P></TD></TR></TBODY></TABLE><IMG 
height=1 src="http://www.bu.edu/bridge/archive/2000/01-28/images/blackdot.gif" 
width=385 align=bottom> </P>
<P></P>
<P><B><FONT color=#ff3300 size=+1>Feature Article</FONT></B><BR></P>
<H2>BU scientists design on-off switch for genes</H2>
<P><B>By Hope Green</B></P>
<P>A team of scientists at Boston University's Center for BioDynamics (CBD) and 
ENG's department of biomedical engineering have created the world's first 
"genetic toggle switch," a mechanism designed to control gene activity. </P>
<P>Timothy Gardner (ENG'00), a doctoral candidate in biomedical engineering and 
lead author of the study, demonstrated the procedure in a BU laboratory using 
genetic material from a common bacterium, Escherichia coli. With its ability to 
regulate the timing of gene expression -- the process in which genes manufacture 
proteins and RNA -- the technology has potential applications for treating a 
variety of diseases. The switch ultimately could function as an artificial 
cellular memory unit, turning living cells into microscopic computers.</P>
<P>"This is the first time anyone has been able to create a synthetic bistable 
on/off switch to control the expression of a gene -- a switch that can be 
generalized to a variety of genes in many different organisms, including 
humans," says James Collins, University Professor, ENG professor of biomedical 
engineering, and codirector of CBD. Collins is a coauthor of the study, which 
was reported in the January 20 issue of Nature. </P>
<P>Current gene-therapy technologies involve a therapeutic gene placed in a cell 
in a nonexpressive, or off, state. To flip the gene on and keep it on, a drug 
must be administered in a constant flow. "It would be as if you had to keep 
pressing your finger on a light switch in order to keep the light on," Collins 
explains. The problem with such therapies is that a continuous stream of drugs 
can have side effects for the patient. "What we did with our system is 
essentially construct the equivalent of the type of light switch we have in our 
offices," he says. "With just a brief delivery of a drug, you can flip the gene 
on. Likewise, you can deliver another chemical burst to switch it off."</P>
<P>Gardner built the toggle switch by stacking two repressor and two promoter 
genes from the bacterium in a unique setup that allowed only one of the promoter 
genes to be active at a given moment. He inserted a jellyfish gene that glowed 
fluorescent green to signal when the switch was turned on by the application of 
a synthetic chemical. "We have these two promoter genes linked together, each 
trying to shut the other off," Collins explains. "The system is bistable: we set 
it up so that one gene always wins." Techniques from the toggle experiment could 
become the foundation of more complex genetic-control devices. These include a 
genetic sensor that could, in a diabetes patient, enable a cell to detect when 
blood glucose reaches a critical threshold and automatically activate the 
production of insulin. For now, however, the team is developing a sensor that 
could respond to high blood glucose by changing a patch of skin a different 
color, warning the patient to take an insulin shot.</P>
<P></P>
<P>Such a system also has potential applications in the detection of biological 
warfare agents, turning the cells into sensors that alert the individual to the 
presence of dangerous substances, and even triggering the production of an 
antidote. </P>
<P>Ultimately, Gardner and Collins envision the combination of genetic toggles, 
genetic sensors, and other devices into a "genetic applet," a genetic network 
implanted in a patient that could be programmed to control cell function.</P>
<P>Gardner, who received his bachelor's degree in mechanical engineering from 
Princeton, has been collaborating on the research project for 14 months with 
Collins and Charles Cantor, ENG professor of biomedical engineering and director 
of BU's Center for Advanced Biotechnology. </P>
<P>After completing his Ph.D. requirements this spring, Gardner hopes to work in 
a postdoctoral position on the West Coast. In any case, he plans to maintain his 
connection with BU. The research team is applying for patents on the 
toggle-switch technology, and is mulling the prospect of launching a 
company.</P>
<P>"Tim is going to be a real academic superstar," Collins predicts. "My group 
was fortunate to get him." </P>
<DIV></NOSCRIPT><!-- END BURST CODE --><FONT face=Arial size=2>
<HR>
</FONT></DIV>
<DIV><FONT face=Arial size=2><A 
href="http://math.bu.edu/cbd/abl_tmp/pdfs/JHastyFIsaacsMDolnikDMcMillenJJCollins_DesignergenenetworksTowardsfundamentalcellularcontrol_Chaos_11_207220.pdf">http://math.bu.edu/cbd/abl_tmp/pdfs/JHastyFIsaacsMDolnikDMcMillenJJCollins_DesignergenenetworksTowardsfundamentalcellularcontrol_Chaos_11_207220.pdf</A></FONT></DIV>
<DIV><FONT face=Arial size=2></FONT> </DIV></BODY></HTML>