Elektrogenetisk undersøgelse viser, at vi en dag kunne kontrollere vores gener med wearables

Elektrogenetisk undersøgelse viser, at vi en dag kunne kontrollere vores gener med wearables

Tidsstempel: 4. august 2023 kl. 10
Electrogenetics Study Finds We Could One Day Control Our Genes With Wearables PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Komponenterne lyder som følgerne af et shopping- og spa-retræte: tre AA-batterier. To elektriske akupunkturnåle. Én plastikholder, der normalt er fastgjort til batteridrevne eventyrlys. Men sammen smelter de sammen til en kraftfuld stimuleringsenhed, der bruger husholdningsbatterier til at kontrollere genekspression i celler.

Ideen virker vild, men en ny undersøgelse in Naturmetabolisme denne uge viste, at det er muligt. Holdet, ledet af Dr. Martin Fussenegger ved ETH Zürich og Universitetet i Basel i Schweiz, udviklede et system, der bruger jævnstrøm - i form af batterier eller bærbare batteribanker - til at tænde et gen i menneskeceller i mus med et bogstaveligt tryk på en kontakt.

For at være klar, kan batteripakken ikke regulere in vivo menneskelige gener. Indtil videre virker det kun for laboratoriefremstillede gener indsat i levende celler. Alligevel har grænsefladen allerede haft indflydelse. I en proof-of-concept-test implanterede forskerne gensplejsede humane celler i mus med type 1-diabetes. Disse celler er normalt tavse, men kan pumpe insulin ud, når de aktiveres med en elektrisk zap.

Holdet brugte akupunkturnåle til at afgive triggeren i 10 sekunder om dagen, og blodsukkerniveauet i musene vendte tilbage til det normale inden for en måned. Gnaverne genvandt endda evnen til at styre blodsukkerniveauet efter et stort måltid uden behov for ekstern insulin, en normalt vanskelig bedrift.

Kaldet "elektrogenetik" er disse grænseflader stadig i deres vorden. Men holdet er især begejstret for deres potentiale i wearables til direkte at guide terapeutiske midler til metaboliske og potentielt andre lidelser. Fordi opsætningen kræver meget lidt strøm, kunne tre AA-batterier udløse en daglig insulinindtagelse i mere end fem år, sagde de.

Undersøgelsen er den seneste til at forbinde kroppens analoge kontroller – genekspression – med digital og programmerbar software såsom smartphone-apps. Systemet er "et spring fremad, der repræsenterer det manglende led, der vil gøre det muligt for wearables at kontrollere gener i en ikke så fjern fremtid," sagde holdet.

Problemet med genetiske kontroller

Genekspression fungerer analogt. DNA har fire genetiske bogstaver (A, T, C og G), som minder om en computers 0'er og 1'er. Den genetiske kode kan dog ikke opbygge og regulere liv, medmindre den omsættes til proteiner. Processen, kaldet genekspression, rekrutterer snesevis af biomolekyler, som hver er kontrolleret af andre. "Opdateringer" til alle genetiske kredsløb er drevet af evolution, som arbejder på notorisk lange tidsskalaer. Selvom den er kraftfuld, er den ikke ligefrem effektiv.

Gå ind i syntetisk biologi. Feltet samler nye gener og tapper ind i celler for at danne eller omkoble komplekse kredsløb ved hjælp af maskiners logik. Tidlige eksperimenter viste, at syntetiske kredsløb kan kontrollere biologiske processer, der normalt resulterer i kræft, infektioner og smerter. Men aktivering af dem kræver ofte molekyler som udløser - antibiotika, vitaminer, fødevaretilsætningsstoffer eller andre molekyler - holder disse systemer inden for den analoge biologiske databehandling.

Neurale grænseflader har allerede slået bro mellem neurale netværk - et analogt computersystem - og digitale computere. Kan vi gøre det samme for syntetisk biologi?

Digital syntetisk biologi

Holdets løsning er DC-aktiveret reguleringsteknologi eller DART.

Sådan fungerer opsætningen. I kernen er reaktive oxygenarter (ROS), ofte kendt som skurken, der driver aldring og vævsslitage. Men vores kroppe producerer normalt disse molekyler under den metaboliske proces.

For at minimere skader på molekylerne har vi en naturlig proteinbiosensor til at måle ROS-niveauer. Biosensoren arbejder tæt sammen med et protein kaldet NRF2. Parret hænger normalt ud i den goopy del af cellen, isoleret fra det meste genetisk materiale. Når ROS-niveauer stiger til en alarmerende hastighed, frigiver sensoren NRF2, som tunneler ind i cellens DNA-lagerbeholder – kernen – for at tænde for gener, der rydder op i ROS-rodet.

Hvorfor betyder det noget? NRF2 kan gensplejses til at tænde andre gener ved hjælp af syntetisk biologi, forklarede forfatterne. En belastning fra tidligere arbejde viste elektricitet kan udløse celler til at pumpe ROS ud på et sikkert niveau for genetisk kontrol. Med andre ord kan stimulerende celler med elektricitet frigive ROS, som derefter aktiverer NRF2 "hemmelige middel" til at vende ethvert gen efter dit valg.

DART kombinerer alt dette tidligere arbejde til et yderst effektivt lavenergisystem til elektrisk genkontrol. Batterier er udløseren, ROS budbringeren og NRF2 den genetiske "tænd"-kontakt.

For at bygge systemet fik menneskelige celler i petriskåle først en genetisk tune-up for at få dem til at udtrykke mere biosensor og NRF2 end deres naturlige modstykker, hvilket igen gjorde de konstruerede celler mere tilpasset til ROS-niveauer.

Så kom design af aftrækkeren. Her brugte holdet elektriske akupunkturnåle, der allerede er godkendt af US Food and Drug Administration (FDA). For at drive nålene udforskede holdet ved hjælp af AA-, AAA- eller knapbatterier - sidstnævnte er normalt i wearables - og målte forskellige batterikonfigurationer, der producerede en tilstrækkelig spænding til at stimulere ROS i de konstruerede celler.

Et forsøg brugte et glød-i-mørkegrønt protein som en indikator. Zapping af cellerne med korte udbrud af elektricitet pumpede ROS-molekyler ud. Cellens biosensorer piggede op og frigav til gengæld NRF2, som låste sig på det syntetisk tilføjede genetiske maskineri, der udtrykker grønne proteiner og tændte det.

Den elektriske udløser var fuldt reversibel, hvor cellerne "nulstillede" til normale, sunde forhold og var i stand til at modstå en anden elektrisk omvæltning.

"Vi har længe ønsket at kontrollere genekspression direkte ved hjælp af elektricitet; nu er det endelig lykkedes,” sagde Fussenegger.

En batteriløsning til diabetes?

Opmuntret forsøgte holdet derefter at bruge DART til at kontrollere insulingenet. Insulin er afgørende for at regulere blodsukkeret, og dets niveauer forstyrres ved diabetes. Holdet er ikke fremmed på banen, tidligere ingeniør designerceller, der pumper insulin ud som reaktion på spændingsændringer.

Ved hjælp af DART gensplejsede holdet insulinproducerende gener til humane celler, som kun tændte i nærvær af ROS efter elektrisk stimulering. Opsætningen fungerede perfekt i petriskåle, hvor cellerne frigav insulin efter at være blevet zappet med elektricitet og efterfølgende bruset i ROS.

De konstruerede celler blev derefter indkapslet i et klinisk godkendt gelélignende stof og implanteret under huden på ryggen af ​​mus med type 1-diabetes. Disse mus kan normalt ikke producere insulin på egen hånd.

DART-controlleren er relativt enkel: to akupunkturnåle belagt med platin, drevet af tre AA-batterier og forbundet til en 12V-strømafbryder, der er målrettet mod de implanterede konstruerede celler. Som kontrol prikkede holdet også mus med akupunkturnåle langt væk fra de implanterede celler. Hver gruppe blev zappet i kun 10 sekunder om dagen.

Sammenlignet med kontrollerne viste den elektrogenetiske behandling sig lovende på kun fire uger. Musene kunne bedre bekæmpe lavt blodsukker fra slankekure, og til sidst genoprettede de deres normale blodsukkerniveauer. De var også dygtige til at regulere blodsukkerniveauet efter et måltid, noget der er svært for mennesker med diabetes uden at bruge insulin. Andre metaboliske mål blev også forbedret.

Det næste trin er at finde måder at erstatte behovet for gensplejsede celler i implantaterne med en mere klinisk levedygtig løsning.

Men for forfatterne repræsenterer DART en køreplan for yderligere at bygge bro mellem biologiske kroppe til det digitale område. Det burde være ligetil at knytte DART-kontroller til en bred vifte af biofarmaceutiske midler inde i celler. Med mere optimering giver disse elektrogenetiske grænseflader et stort løfte for en række fremtidige gen- og cellebaserede terapier, sagde forfatterne.

Billede Credit: Peggy og Marco Lachmann-Anke fra Pixabay

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub