توصلت دراسة علم الوراثة الكهربية إلى أنه يمكننا يومًا ما التحكم في جيناتنا باستخدام الأجهزة القابلة للارتداء

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

توصلت دراسة علم الوراثة الكهربية إلى أنه يمكننا يومًا ما التحكم في جيناتنا باستخدام ذكاء بيانات PlatoBlockchain القابل للارتداء. البحث العمودي. منظمة العفو الدولية.

تبدو المكونات وكأنها تداعيات للتسوق ومنتجع صحي: ثلاث بطاريات AA. إبرتان للوخز بالإبر الكهربائية. حامل بلاستيكي يتم إرفاقه عادةً بأضواء خرافية تعمل بالبطارية. لكنهم يندمجون معًا في جهاز تحفيز قوي يستخدم البطاريات المنزلية للتحكم في التعبير الجيني في الخلايا.

تبدو الفكرة جامحة ، لكن دراسة جديدة in الأيض الطبيعة أظهر هذا الأسبوع أنه ممكن. طور الفريق ، بقيادة الدكتور مارتن فوسينجر من ETH Zurich وجامعة بازل في سويسرا ، نظامًا يستخدم كهرباء التيار المباشر - في شكل بطاريات أو بطاريات محمولة - لتشغيل الجين في الخلايا البشرية في الفئران مع قلب حرفي للمفتاح.

لكي نكون واضحين ، لا يمكن تنظيم حزمة البطارية في الجسم الحي الجينات البشرية. في الوقت الحالي ، يعمل فقط مع الجينات المصنعة في المختبر والتي يتم إدخالها في الخلايا الحية. ومع ذلك ، كان للواجهة تأثير بالفعل. في اختبار إثبات المفهوم ، زرع العلماء خلايا بشرية معدلة وراثيًا في فئران مصابة بداء السكري من النوع الأول. عادة ما تكون هذه الخلايا صامتة ، ولكن يمكنها ضخ الأنسولين عند تنشيطها بضربة كهربائية.

استخدم الفريق إبر الوخز بالإبر لتوصيل المحفز لمدة 10 ثوانٍ يوميًا ، وعادت مستويات السكر في الدم لدى الفئران إلى وضعها الطبيعي في غضون شهر. حتى أن القوارض استعادت قدرتها على إدارة مستويات السكر في الدم بعد تناول وجبة كبيرة دون الحاجة إلى الأنسولين الخارجي ، وهو عمل صعب في العادة.

لا تزال هذه الواجهات ، التي يطلق عليها اسم "علم الكهرومغناطيسية" ، في مهدها. لكن الفريق متحمس بشكل خاص لإمكانياتها في الأجهزة القابلة للارتداء لتوجيه العلاجات مباشرة للاضطرابات الأيضية والاضطرابات الأخرى المحتملة. نظرًا لأن الإعداد يتطلب القليل جدًا من الطاقة ، يمكن لثلاث بطاريات AA إطلاق جرعة أنسولين يومية لأكثر من خمس سنوات ، على حد قولهم.

الدراسة هي الأحدث لربط عناصر التحكم التناظرية للجسم - التعبير الجيني - بالبرامج الرقمية والقابلة للبرمجة مثل تطبيقات الهواتف الذكية. قال الفريق إن النظام "قفزة إلى الأمام ، حيث يمثل الحلقة المفقودة التي ستمكن الأجهزة القابلة للارتداء من التحكم في الجينات في المستقبل غير البعيد".

مشكلة الضوابط الجينية

يعمل التعبير الجيني في التناظرية. يحتوي الحمض النووي على أربعة أحرف جينية (A و T و C و G) ، والتي تذكرنا بأحرف صفر و 0 في الكمبيوتر. ومع ذلك ، لا يمكن للشفرة الجينية بناء وتنظيم الحياة ما لم تُترجم إلى بروتينات. هذه العملية ، التي تسمى التعبير الجيني ، تجند العشرات من الجزيئات الحيوية ، كل منها يتحكم فيه الآخرون. "التحديثات" على أي دوائر جينية مدفوعة بالتطور ، الذي يعمل على مقاييس زمنية طويلة. على الرغم من قوتها ، إلا أن دليل علم الأحياء ليس فعالًا تمامًا.

أدخل البيولوجيا التركيبية. يجمع الحقل جينات جديدة وينتقل إلى الخلايا لتشكيل دوائر معقدة أو إعادة توصيلها باستخدام منطق الآلات. أظهرت التجارب المبكرة أن الدوائر الاصطناعية يمكنها التحكم في العمليات البيولوجية التي تؤدي عادةً إلى الإصابة بالسرطان والالتهابات والألم. لكن تنشيطها غالبًا ما يتطلب جزيئات كمحفز - مضادات حيوية ، فيتامينات ، إضافات غذائية ، أو جزيئات أخرى - تبقي هذه الأنظمة في عالم الحوسبة البيولوجية التناظرية.

لقد نجحت الواجهات العصبية بالفعل في سد الفجوة بين الشبكات العصبية - نظام الحوسبة التماثلية - وأجهزة الكمبيوتر الرقمية. هل يمكننا فعل الشيء نفسه بالنسبة للبيولوجيا التركيبية؟

البيولوجيا التركيبية الرقمية

حل الفريق هو تقنية التنظيم التي تعمل بالتيار المستمر ، أو DART.

إليك كيفية عمل الإعداد. يوجد في القلب أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ، والتي تُعرف غالبًا باسم الشرير الذي يتسبب في الشيخوخة وتآكل الأنسجة. ومع ذلك ، عادة ما تنتج أجسامنا هذه الجزيئات أثناء عملية التمثيل الغذائي.

لتقليل الضرر الذي يلحق بالجزيئات ، لدينا جهاز استشعار حيوي للبروتين الطبيعي لقياس مستويات ROS. يعمل المستشعر الحيوي بشكل وثيق مع بروتين يسمى NRF2. عادة ما يكون الزوجان معلقين في الجزء اللزج من الخلية ، معزولين عن معظم المواد الجينية. عندما ترتفع مستويات ROS إلى معدل ينذر بالخطر ، يطلق المستشعر NRF2 ، الذي ينفق في حاوية تخزين الحمض النووي للخلية - النواة - لتشغيل الجينات التي تنظف فوضى ROS.

لماذا يهم؟ أوضح المؤلفون أنه يمكن تعديل NRF2 وراثيًا لتشغيل جينات أخرى باستخدام البيولوجيا التركيبية. حمولة السابق العمل أظهرت كهرباء يمكن أن تحفز الخلايا على ضخ أنواع الأكسجين التفاعلية بمستوى آمن للتحكم الجيني. بعبارة أخرى ، يمكن أن يؤدي تحفيز الخلايا بالكهرباء إلى إطلاق ROS ، والذي يقوم بعد ذلك بتنشيط "العامل السري" NRF2 لقلب أي جين من اختيارك.

يجمع DART كل هذا العمل السابق في نظام عالي الكفاءة ومنخفض الطاقة للتحكم في الجينات الكهربائية. البطاريات هي المشغل ، ROS رسول ، و NRF2 مفتاح التشغيل الجيني.

لبناء النظام ، حصلت الخلايا البشرية في أطباق بتري أولاً على ضبط جيني لجعلها تعبر عن مستشعر حيوي و NRF2 أكثر من نظيراتها الطبيعية ، مما يجعل الخلايا المهندسة أكثر انسجامًا مع مستويات ROS.

ثم جاء تصميم الزناد. هنا ، استخدم الفريق إبر الوخز بالإبر الكهربائية المعتمدة بالفعل من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA). لتزويد الإبر بالطاقة ، استكشف الفريق باستخدام بطاريات AA أو AAA أو زر - تكون الأخيرة عادة داخل الأجهزة القابلة للارتداء - وقاس تكوينات البطاريات المختلفة التي أنتجت جهدًا كافيًا لتحفيز ROS في الخلايا المهندسة.

استخدمت إحدى التجارب البروتين الأخضر المتوهج في الظلام كمؤشر. يؤدي اندفاع الخلايا بدفعات قصيرة من الكهرباء إلى ضخ جزيئات ROS. تنشطت أجهزة الاستشعار الحيوية في الخلية ، وأطلقت بدورها NRF2 ، الذي تم تثبيته بالآلية الوراثية المضافة صناعياً التي تعبر عن البروتينات الخضراء وتشغيلها.

كان الزناد الكهربائي قابلاً للانعكاس تمامًا ، مع "إعادة ضبط" الخلايا إلى ظروف طبيعية وصحية وقادرة على تحمل دورة كهربائية أخرى.

لقد أردنا التحكم بشكل مباشر في التعبير الجيني باستخدام الكهرباء لفترة طويلة ؛ الآن نجحنا أخيرًا " محمد فوسينيجر.

حل البطارية لمرض السكري؟

بعد تشجيعه ، حاول الفريق بعد ذلك استخدام DART للتحكم في جين الأنسولين. الأنسولين ضروري لتنظيم نسبة السكر في الدم ، ومستوياته تتعطل في مرض السكري. الفريق ليس غريباً على الميدان ، الهندسة سابقا الخلايا المصممة التي تضخ الأنسولين استجابة لتغيرات الجهد.

باستخدام DART ، قام الفريق بهندسة الجينات المنتجة للأنسولين وراثيًا في الخلايا البشرية ، والتي لا تعمل إلا في وجود ROS بعد التحفيز الكهربائي. نجح الإعداد بشكل مثالي في أطباق بتري ، حيث أطلقت الخلايا الأنسولين بعد أن تم صفعها بالكهرباء ثم تمطر في ROS.

ثم تم تغليف الخلايا المهندسة في مادة شبيهة بالهلام مرخصة سريريًا وزُرعت تحت الجلد على ظهور الفئران المصابة بداء السكري من النوع الأول. لا تستطيع هذه الفئران عادة إنتاج الأنسولين من تلقاء نفسها.

وحدة التحكم DART بسيطة نسبيًا: إبرتان من الوخز بالإبر مغطيتان بالبلاتين تعملان بثلاث بطاريات AA وموصولة بمفتاح طاقة بجهد 12 فولت يستهدف الخلايا المهندسة المزروعة. كعنصر تحكم ، قام الفريق أيضًا بوخز الفئران بإبر الوخز بالإبر بعيدًا عن الخلايا المزروعة. تم تشغيل كل مجموعة لمدة 10 ثوانٍ فقط في اليوم.

بالمقارنة مع الضوابط ، في غضون أربعة أسابيع فقط أظهر العلاج الكهرومغناطيسي واعدًا. يمكن للفئران أن تكافح بشكل أفضل انخفاض نسبة السكر في الدم من اتباع نظام غذائي ، وفي النهاية استعادت مستويات السكر في الدم الطبيعية. كما كانوا بارعين في تنظيم مستويات السكر في الدم بعد الوجبة ، وهو أمر يصعب على مرضى السكري دون استخدام الأنسولين. كما تحسنت تدابير التمثيل الغذائي الأخرى.

تتمثل الخطوة التالية في إيجاد طرق لاستبدال الحاجة إلى الخلايا المعدلة وراثيًا المستخدمة في الغرسات بحل أكثر قابلية للتطبيق سريريًا.

لكن بالنسبة للمؤلفين ، تمثل DART خريطة طريق لزيادة ربط الأجسام البيولوجية بالعالم الرقمي. يجب أن يكون من السهل ربط عناصر التحكم DART بمجموعة واسعة من الأدوية الحيوية داخل الخلايا. قال المؤلفون إنه مع المزيد من التحسين ، فإن هذه الواجهات الكهربية "تحمل وعودًا كبيرة لمجموعة متنوعة من العلاجات المستندة إلى الجينات والخلية في المستقبل".

الصورة الائتمان: بيجي وماركو لاشمان-أنك تبدأ من Pixabay