Ηλεκτρογενετική μελέτη διαπιστώνει ότι μια μέρα θα μπορούσαμε να ελέγξουμε τα γονίδιά μας με φορητά

Τα εξαρτήματα ακούγονται σαν τον απόηχο ενός καταφυγίου για ψώνια και σπα: τρεις μπαταρίες ΑΑ. Δύο ηλεκτρικές βελόνες βελονισμού. Μία πλαστική θήκη που συνήθως συνδέεται σε νεραϊδάκια που τροφοδοτούνται με μπαταρία. Αλλά μαζί συγχωνεύονται σε μια ισχυρή συσκευή διέγερσης που χρησιμοποιεί οικιακές μπαταρίες για τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης στα κύτταρα.

Η ιδέα φαίνεται άγρια, αλλά μια νέα μελέτη in Μεταβολισμός της φύσης αυτή η εβδομάδα έδειξε ότι είναι δυνατό. Η ομάδα, με επικεφαλής τον Δρ. Martin Fussenegger στο ETH της Ζυρίχης και στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία, ανέπτυξε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος - με τη μορφή μπαταριών ή φορητών τραπεζών μπαταριών - για να ενεργοποιήσει ένα γονίδιο σε ανθρώπινα κύτταρα σε ποντίκια με μια κυριολεκτική ανατροπή του διακόπτη.

Για να είμαστε σαφείς, η μπαταρία δεν μπορεί να ρυθμιστεί ίη νίνο ανθρώπινα γονίδια. Προς το παρόν, λειτουργεί μόνο για εργαστηριακά γονίδια που εισάγονται σε ζωντανά κύτταρα. Ωστόσο, η διεπαφή έχει ήδη επηρεάσει. Σε μια δοκιμή απόδειξης της ιδέας, οι επιστήμονες εμφύτευσαν γενετικά τροποποιημένα ανθρώπινα κύτταρα σε ποντίκια με διαβήτη τύπου 1. Αυτά τα κύτταρα είναι συνήθως αθόρυβα, αλλά μπορούν να αντλήσουν ινσουλίνη όταν ενεργοποιηθούν με ένα ηλεκτρικό ζάπ.

Η ομάδα χρησιμοποίησε βελόνες βελονισμού για να δώσει τη σκανδάλη για 10 δευτερόλεπτα την ημέρα και τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα στα ποντίκια επέστρεψαν στο φυσιολογικό μέσα σε ένα μήνα. Τα τρωκτικά ανέκτησαν ακόμη και την ικανότητα να διαχειρίζονται τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα μετά από ένα μεγάλο γεύμα χωρίς την ανάγκη εξωτερικής ινσουλίνης, ένα συνήθως δύσκολο κατόρθωμα.

Αυτές οι διεπαφές, που ονομάζονται «ηλεκτρογενετική», είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο. Αλλά η ομάδα είναι ιδιαίτερα ενθουσιασμένη για τις δυνατότητές τους στα wearables να καθοδηγούν άμεσα τις θεραπείες για μεταβολικές και δυνητικά άλλες διαταραχές. Επειδή η εγκατάσταση απαιτεί πολύ λίγη ισχύ, τρεις μπαταρίες ΑΑ θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν μια καθημερινή λήψη ινσουλίνης για περισσότερα από πέντε χρόνια, είπαν.

Η μελέτη είναι η πιο πρόσφατη που συνδέει τους αναλογικούς ελέγχους του σώματος - την έκφραση γονιδίων - με ψηφιακό και προγραμματιζόμενο λογισμικό, όπως εφαρμογές smartphone. Το σύστημα είναι «ένα άλμα προς τα εμπρός, αντιπροσωπεύοντας τον κρίκο που λείπει που θα επιτρέψει στα wearables να ελέγχουν τα γονίδια στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον», είπε η ομάδα.

Το πρόβλημα με τους γενετικούς ελέγχους

Η γονιδιακή έκφραση λειτουργεί αναλογικά. Το DNA έχει τέσσερα γενετικά γράμματα (A, T, C και G), τα οποία θυμίζουν τα 0 και 1 ενός υπολογιστή. Ωστόσο, ο γενετικός κώδικας δεν μπορεί να οικοδομήσει και να ρυθμίσει τη ζωή αν δεν μεταφραστεί σε πρωτεΐνες. Η διαδικασία, που ονομάζεται έκφραση γονιδίων, στρατολογεί δεκάδες βιομόρια, καθένα από τα οποία ελέγχεται από άλλα. Οι «ενημερώσεις» σε οποιαδήποτε γενετικά κυκλώματα οδηγούνται από την εξέλιξη, η οποία λειτουργεί σε διαβόητες μεγάλες χρονικές κλίμακες. Αν και ισχυρό, το βιβλίο βιολογίας δεν είναι ακριβώς αποτελεσματικό.

Εισαγάγετε τη συνθετική βιολογία. Το πεδίο συναρμολογεί νέα γονίδια και εισχωρεί σε κύτταρα για να σχηματίσει ή να επανασυνδέσει σύνθετα κυκλώματα χρησιμοποιώντας τη λογική των μηχανών. Τα πρώτα πειράματα έδειξαν ότι τα συνθετικά κυκλώματα μπορούν να ελέγξουν βιολογικές διεργασίες που συνήθως οδηγούν σε καρκίνο, λοιμώξεις και πόνο. Αλλά η ενεργοποίησή τους απαιτεί συχνά μόρια ως το έναυσμα - αντιβιοτικά, βιταμίνες, πρόσθετα τροφίμων ή άλλα μόρια - διατηρώντας αυτά τα συστήματα στη σφαίρα του αναλογικού βιολογικού υπολογισμού.

Οι νευρωνικές διεπαφές έχουν ήδη γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ των νευρωνικών δικτύων —ένα αναλογικό σύστημα υπολογιστών— και των ψηφιακών υπολογιστών. Μπορούμε να κάνουμε το ίδιο για τη συνθετική βιολογία;

Ψηφιακή Συνθετική Βιολογία

Η λύση της ομάδας είναι η τεχνολογία ρύθμισης DC ή DART.

Δείτε πώς λειτουργεί η ρύθμιση. Στον πυρήνα βρίσκονται τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου (ROS), συχνά γνωστά ως ο κακός που προκαλεί τη γήρανση και τη φθορά των ιστών. Ωστόσο, το σώμα μας συνήθως παράγει αυτά τα μόρια κατά τη διάρκεια της μεταβολικής διαδικασίας.

Για να ελαχιστοποιήσουμε τη ζημιά στα μόρια, έχουμε έναν φυσικό βιοαισθητήρα πρωτεΐνης για τη μέτρηση των επιπέδων ROS. Ο βιοαισθητήρας συνεργάζεται στενά με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται NRF2. Το ζευγάρι συνήθως κάνει παρέα στο χυδαίο μέρος του κελιού, απομονωμένο από το μεγαλύτερο μέρος του γενετικού υλικού. Όταν τα επίπεδα ROS αυξάνονται σε ανησυχητικό ρυθμό, ο αισθητήρας απελευθερώνει NRF2, ο οποίος διοχετεύεται στο δοχείο αποθήκευσης DNA του κυττάρου —τον πυρήνα— για να ενεργοποιήσει γονίδια που καθαρίζουν το χάος των ROS.

Γιατί έχει σημασία? Το NRF2 μπορεί να κατασκευαστεί γενετικά για να ενεργοποιήσει άλλα γονίδια χρησιμοποιώντας συνθετική βιολογία, εξήγησαν οι συγγραφείς. Ενα φορτίο του προηγούμενου δουλειά έδειξε ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να ενεργοποιήσει τα κύτταρα να αντλήσουν ROS σε ασφαλές επίπεδο για γενετικό έλεγχο. Με άλλα λόγια, η διέγερση των κυττάρων με ηλεκτρισμό θα μπορούσε να απελευθερώσει ROS, το οποίο στη συνέχεια ενεργοποιεί τον «μυστικό παράγοντα» NRF2 για να ανατρέψει οποιοδήποτε γονίδιο της επιλογής σας.

Το DART συνδυάζει όλη αυτή την προηγούμενη εργασία σε ένα εξαιρετικά αποδοτικό, χαμηλής ενέργειας σύστημα για τον ηλεκτρικό έλεγχο των γονιδίων. Οι μπαταρίες είναι η σκανδάλη, το ROS ο αγγελιοφόρος και το NRF2 ο γενετικός διακόπτης "on".

Για να κατασκευαστεί το σύστημα, τα ανθρώπινα κύτταρα σε τρυβλία Petri έλαβαν πρώτα μια γενετική ρύθμιση για να τα κάνει να εκφράζουν περισσότερο βιοαισθητήρα και NRF2 από τα φυσικά αντίστοιχα, με τη σειρά τους να κάνουν τα κατασκευασμένα κύτταρα πιο συντονισμένα με τα επίπεδα ROS.

Μετά ήρθε ο σχεδιασμός της σκανδάλης. Εδώ, η ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρικές βελόνες βελονισμού που έχουν ήδη εγκριθεί από τον Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA). Για να τροφοδοτήσει τις βελόνες, η ομάδα διερεύνησε χρησιμοποιώντας μπαταρίες AA, AAA ή κουμπιά -οι τελευταίες βρίσκονται συνήθως μέσα σε wearables- και μέτρησε διαφορετικές διαμορφώσεις μπαταριών που παρήγαγαν επαρκή τάση για να διεγείρουν το ROS στα κατασκευασμένα κύτταρα.

Μια δοκιμή χρησιμοποίησε μια πράσινη πρωτεΐνη που λάμπει στο σκοτάδι ως δείκτη. Το ζάπισμα των κυττάρων με σύντομες εκρήξεις ηλεκτρισμού άντλησε μόρια ROS. Οι βιοαισθητήρες του κυττάρου αναπτύχθηκαν, με τη σειρά τους απελευθερώνοντας NRF2, το οποίο προσδέθηκε στον συνθετικά προστιθέμενο γενετικό μηχανισμό που εκφράζει πράσινες πρωτεΐνες και τον άνοιξε.

Η ηλεκτρική σκανδάλη ήταν πλήρως αναστρέψιμη, με τις κυψέλες να «επαναφέρονται» σε κανονικές, υγιείς συνθήκες και ικανές να αντέξουν έναν άλλο ηλεκτρικό γύρο.

«Θέλαμε να ελέγξουμε άμεσα την έκφραση γονιδίων χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό για μεγάλο χρονικό διάστημα. τώρα επιτέλους τα καταφέραμε» είπε Fussenegger.

Μια λύση μπαταρίας για τον διαβήτη;

Ενθαρρυμένη, η ομάδα προσπάθησε στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει το DART για να ελέγξει το γονίδιο της ινσουλίνης. Η ινσουλίνη είναι απαραίτητη για τη ρύθμιση του σακχάρου στο αίμα και τα επίπεδά της διαταράσσονται στον διαβήτη. Η ομάδα δεν είναι ξένη στο γήπεδο, προηγουμένως μηχανική κύτταρα σχεδιαστών που αντλούν ινσουλίνη ως απόκριση στις αλλαγές τάσης.

Χρησιμοποιώντας το DART, η ομάδα κατασκεύασε γενετικά γονίδια που παράγουν ινσουλίνη σε ανθρώπινα κύτταρα, τα οποία ενεργοποιήθηκαν μόνο παρουσία ROS μετά από ηλεκτρική διέγερση. Το στήσιμο λειτούργησε τέλεια σε πιάτα Petri, με τα κύτταρα να απελευθερώνουν ινσουλίνη μετά από ηλεκτρισμό και στη συνέχεια να κάνουν ντους με ROS.

Τα τροποποιημένα κύτταρα στη συνέχεια ενθυλακώθηκαν σε μια κλινικά εγκεκριμένη ουσία που μοιάζει με ζελέ και εμφυτεύτηκαν κάτω από το δέρμα στις πλάτες ποντικών με διαβήτη Τύπου 1. Αυτά τα ποντίκια δεν μπορούν κανονικά να παράγουν ινσουλίνη από μόνα τους.

Ο ελεγκτής DART είναι σχετικά απλός: δύο βελόνες βελονισμού επικαλυμμένες με πλατίνα που τροφοδοτούνται από τρεις μπαταρίες ΑΑ και συνδέονται με έναν διακόπτη τροφοδοσίας 12 V που στοχεύει τα εμφυτευμένα κατασκευασμένα κύτταρα. Ως έλεγχος, η ομάδα τρύπησε επίσης ποντίκια με βελόνες βελονισμού μακριά από τα εμφυτευμένα κύτταρα. Κάθε ομάδα χτυπήθηκε για μόλις 10 δευτερόλεπτα την ημέρα.

Σε σύγκριση με τους ελέγχους, σε μόλις τέσσερις εβδομάδες η ηλεκτρογενετική θεραπεία έδειξε υποσχόμενη. Τα ποντίκια θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν καλύτερα το χαμηλό σάκχαρο στο αίμα από τη δίαιτα και τελικά αποκατέστησαν τα φυσιολογικά επίπεδα σακχάρου στο αίμα τους. Ήταν επίσης ικανοί στη ρύθμιση των επιπέδων σακχάρου στο αίμα μετά από ένα γεύμα, κάτι που είναι δύσκολο σε άτομα με διαβήτη χωρίς χρήση ινσουλίνης. Άλλα μεταβολικά μέτρα βελτιώθηκαν επίσης.

Το επόμενο βήμα είναι η εύρεση τρόπων αντικατάστασης της ανάγκης για γενετικά τροποποιημένα κύτταρα που χρησιμοποιούνται στα εμφυτεύματα με μια πιο κλινικά βιώσιμη λύση.

Αλλά για τους συγγραφείς, το DART αντιπροσωπεύει έναν οδικό χάρτη για να γεφυρώσει περαιτέρω τα βιολογικά σώματα στο ψηφιακό βασίλειο. Θα πρέπει να είναι απλό να συνδέσετε τα στοιχεία ελέγχου DART με ένα ευρύ φάσμα βιοφαρμακευτικών προϊόντων μέσα στα κύτταρα. Με περισσότερη βελτιστοποίηση, αυτές οι ηλεκτρογενετικές διεπαφές «υπόσχονται μεγάλες υποσχέσεις για μια ποικιλία μελλοντικών θεραπειών που βασίζονται σε γονίδια και κύτταρα», είπαν οι συγγραφείς.

Image Credit: Πέγκυ και Μάρκο Λάχμαν-Άνκε από Pixabay

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/