Elektrogeneetikauuring näitab, et suudaksime ühel päeval kanda oma geene kontrollida

Komponendid kõlavad nagu ostlemise ja spaa taganemise tagajärg: kolm AA-patareid. Kaks elektrilist nõelravi nõela. Üks plastikust hoidik, mis kinnitatakse tavaliselt akutoitel haldjatulede külge. Kuid koos ühinevad nad võimsaks stimulatsiooniseadmeks, mis kasutab rakkudes geeniekspressiooni kontrollimiseks majapidamispatareisid.

Mõte tundub metsik, aga uus uuring in Looduse ainevahetus see nädal näitas, et see on võimalik. Dr Martin Fusseneggeri juhitud ETH Zürichi ja Šveitsi Baseli ülikooli töörühm töötas välja süsteemi, mis kasutab hiirte inimrakkudes geeni sisselülitamiseks alalisvoolu elektrit – patareide või kaasaskantavate akupankade kujul. sõna otseses mõttes lülitiga.

Et oleks selge, aku ei saa reguleerida in vivo inimese geenid. Praegu töötab see ainult elusrakkudesse sisestatud laboris valmistatud geenide puhul. Kuid liides on juba mõju avaldanud. Kontseptsiooni tõestamise testis siirdasid teadlased geneetiliselt muundatud inimrakke I tüüpi diabeediga hiirtele. Need rakud on tavaliselt vaiksed, kuid võivad elektrilise häirega aktiveerimisel insuliini välja pumbata.

Töörühm kasutas nõelravi nõelu, et anda päästik 10 sekundiks päevas ja hiirte veresuhkru tase normaliseerus kuu aja jooksul. Närilised said isegi pärast suurt sööki tagasi võime reguleerida veresuhkru taset, ilma et oleks vaja välist insuliini, mis on tavaliselt keeruline saavutus.

Need liidesed, mida nimetatakse "elektrogeneetikaks", on alles lapsekingades. Kuid meeskond on eriti põnevil nende potentsiaali pärast kantavates seadmetes, et juhtida otseselt metaboolsete ja potentsiaalselt muude häirete ravimeetodeid. Kuna seadistus nõuab väga vähe energiat, võivad kolm AA-patareid käivitada igapäevase insuliinisüsti rohkem kui viieks aastaks, ütlesid nad.

Uuring on uusim, mis ühendab keha analoogjuhtseadised – geeniekspressiooni – digitaalse ja programmeeritava tarkvaraga, näiteks nutitelefonirakendustega. Süsteem on "hüpe edasi, esindades puuduvat lüli, mis võimaldab kantavatel seadmetel mitte nii kauges tulevikus geene kontrollida," ütles meeskond.

Probleemid geneetiliste kontrollidega

Geeniekspressioon toimib analoogselt. DNA-l on neli geneetilist tähte (A, T, C ja G), mis meenutavad arvuti 0-d ja 1-sid. Geneetiline kood ei saa aga elu luua ja reguleerida, kui see pole tõlgitud valkudeks. Protsess, mida nimetatakse geeniekspressiooniks, värbab kümneid biomolekule, millest igaüks on teiste kontrolli all. Mis tahes geneetiliste ahelate "värskendused" on ajendatud evolutsioonist, mis toimib kurikuulsalt pika aja jooksul. Kuigi bioloogia mänguraamat on võimas, pole see just tõhus.

Sisestage sünteetiline bioloogia. See väli paneb kokku uued geenid ja koputab rakkudesse, et moodustada või ümber ühendada masinate loogikat kasutades. Varased katsed näitasid, et sünteetilised ahelad suudavad kontrollida bioloogilisi protsesse, mis tavaliselt põhjustavad vähki, infektsioone ja valu. Kuid nende aktiveerimiseks on sageli vaja molekule kui käivitajat – antibiootikume, vitamiine, toidu lisaaineid või muid molekule –, mis hoiavad neid süsteeme analoogse bioloogilise andmetöötluse valdkonnas.

Neuraalliidesed on juba ületanud lõhe närvivõrkude – analoogarvutussüsteemi – ja digitaalarvutite vahel. Kas me saame sama teha sünteetilise bioloogiaga?

Digitaalne sünteetiline bioloogia

Meeskonna lahendus on alalisvooluga reguleerimise tehnoloogia ehk DART.

Seadistamine toimib järgmiselt. Keskmes on reaktiivsed hapniku liigid (ROS), mida sageli nimetatakse kaabakaks, kes põhjustab vananemist ja kudede kulumist. Kuid meie keha toodab neid molekule tavaliselt metaboolse protsessi käigus.

Molekulide kahjustuste minimeerimiseks on meil looduslik valgu biosensor ROS taseme mõõtmiseks. Biosensor töötab tihedalt valguga, mida nimetatakse NRF2-ks. Paar ripub tavaliselt raku räpases osas, mis on isoleeritud enamikust geneetilisest materjalist. Kui ROS-i tase tõuseb murettekitava kiiruseni, vabastab andur NRF2, mis tunnelib raku DNA salvestusmahutisse - tuuma -, et lülitada sisse geenid, mis puhastavad ROS-i segadust.

Miks see oluline on? Autorid selgitasid, et NRF2 saab geneetiliselt muundada, et lülitada sünteetilise bioloogia abil sisse teisi geene. Koorem eelmise töö näitas elekter võib käivitada rakud ROS-i väljapumpamiseks geneetilise kontrolli jaoks ohutul tasemel. Teisisõnu võib rakkude stimuleerimine elektriga vabastada ROS-i, mis seejärel aktiveerib NRF2 "salaagendi", mis lülitab sisse mis tahes teie valitud geeni.

DART ühendab kogu selle eelneva töö ülitõhusaks madala energiatarbega süsteemiks elektrilise geenikontrolli jaoks. Patareid on päästik, ROS on sõnumitooja ja NRF2 geneetiline sisselülitaja.

Süsteemi ehitamiseks said Petri tassides olevad inimrakud kõigepealt geneetilise häälestuse, et panna need ekspresseerima rohkem biosensorit ja NRF2 kui nende looduslikud kolleegid, muutes omakorda konstrueeritud rakud ROS-i tasemetele paremini häälestatud.

Siis tuli päästiku kujundamine. Siin kasutas töörühm elektrilisi nõelravi nõelu, mille on juba heaks kiitnud USA toidu- ja ravimiamet (FDA). Nõelte toiteks kasutas töörühm AA-, AAA- või nööppatareisid – viimased on tavaliselt kantavates seadmetes – ja mõõtis erinevaid akukonfiguratsioone, mis tekitasid konstrueeritud rakkudes ROS-i stimuleerimiseks piisava pinge.

Ühes katses kasutati indikaatorina tumerohelist helendavat valku. Rakkude lõhkumine lühikeste elektripursketega pumpas välja ROS-i molekulid. Raku biosensorid elavnesid, vabastades omakorda NRF2, mis haakus sünteetiliselt lisatud geneetilise masinaga, mis ekspresseerib rohelisi valke ja lülitas selle sisse.

Elektriline päästik oli täielikult pööratav, rakud "lähtestusid" normaalsetesse tervislikesse seisunditesse ja suutsid vastu pidada veel ühele elektrilisele ümberlülitamisele.

„Oleme pikka aega tahtnud geeniekspressiooni otseselt elektri abil juhtida; nüüd on see lõpuks õnnestunud," ütles Fussenegger.

Aku lahendus diabeedile?

Järgmisena proovis meeskond julgustust kasutada DART-i insuliinigeeni kontrollimiseks. Insuliin on veresuhkru reguleerimiseks hädavajalik ja selle tase on diabeedi korral häiritud. Meeskonnale pole väljak võõras, varem inseneritööd disainerrakud, mis pumpavad insuliini välja vastusena pingemuutustele.

DART-i abil muutis meeskond geneetiliselt insuliini tootvad geenid inimrakkudesse, mis lülitusid sisse alles ROS-i juuresolekul pärast elektrilist stimulatsiooni. Seadistamine töötas Petri tassides ideaalselt, rakud vabastasid insuliini pärast elektriga ühendamist ja seejärel ROS-i duši all.

Seejärel kapseldati konstrueeritud rakud kliiniliselt litsentseeritud tarretiselaadsesse ainesse ja implanteeriti naha alla I tüüpi diabeediga hiirte selga. Need hiired ei suuda tavaliselt iseseisvalt insuliini toota.

DART-kontroller on suhteliselt lihtne: kaks plaatinaga kaetud nõelravi nõela, mis töötavad kolme AA-patareiga ja on ühendatud 12 V toitelülitiga, mis on suunatud siirdatud konstrueeritud rakkudele. Kontrollina torkas töörühm ka hiiri nõelravi nõeltega siirdatud rakkudest kaugel. Iga rühm oli ainult 10 sekundit päevas.

Võrreldes kontrollidega näitas elektrogeneetiline ravi kõigest nelja nädalaga paljulubavat. Hiired suutsid paremini võidelda dieedipidamisest tingitud madala veresuhkruga ja lõpuks taastasid nad oma normaalse veresuhkru taseme. Samuti olid nad osavad reguleerima veresuhkru taset pärast sööki, mis on diabeediga inimestel raske ilma insuliini kasutamata. Paranesid ka muud metaboolsed meetmed.

Järgmine samm on leida viise, kuidas asendada vajadus implantaatides kasutatavate geneetiliselt muundatud rakkude järele kliiniliselt elujõulisema lahendusega.

Kuid autorite jaoks kujutab DART endast teekaarti bioloogiliste kehade edasiseks ühendamiseks digitaalsesse valdkonda. Peaks olema lihtne siduda DART-juhtelemendid paljude rakkude sees olevate biofarmatseutiliste ravimitega. Autorid ütlesid, et suurema optimeerimise korral on neil elektrogeneetilistel liidestel "suur lubadus mitmesuguste tulevaste geeni- ja rakupõhiste ravimeetodite jaoks.

Image Credit: Peggy ja Marco Lachmann-Anke Alates Pixabay

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/