مطالعه الکتروژنتیک نشان می‌دهد که می‌توانیم روزی ژن‌های خود را با ابزارهای پوشیدنی کنترل کنیم

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

مطالعه الکتروژنتیک نشان می‌دهد که می‌توانیم روزی ژن‌های خود را با ابزارهای پوشیدنی، هوش داده پلاتو بلاک چین کنترل کنیم. جستجوی عمودی Ai.

این قطعات شبیه عواقب یک خرید و استراحتگاه اسپا هستند: سه باتری AA. دو سوزن برقی طب سوزنی. یک نگهدارنده پلاستیکی که معمولاً به چراغ‌های پری باطری متصل می‌شود. اما آنها با هم در یک دستگاه تحریک قدرتمند ادغام می شوند که از باتری های خانگی برای کنترل بیان ژن در سلول ها استفاده می کند.

این ایده وحشیانه به نظر می رسد، اما یک مطالعه جدید in متابولیسم طبیعت این هفته نشان داد که ممکن است. این تیم به رهبری دکتر مارتین فوسنگر در ETH زوریخ و دانشگاه بازل در سوئیس، سیستمی را توسعه دادند که از جریان برق مستقیم - به شکل باتری یا بانک باتری قابل حمل - برای روشن کردن یک ژن در سلول‌های انسانی در موش استفاده می‌کند. با یک سوئیچ به معنای واقعی کلمه.

برای روشن بودن، بسته باتری نمی تواند تنظیم شود در داخل بدن ژن های انسانی در حال حاضر، فقط برای ژن‌های آزمایشگاهی که در سلول‌های زنده قرار می‌گیرند، کار می‌کند. با این حال رابط کاربری قبلاً تأثیر داشته است. در یک آزمایش اثبات مفهوم، دانشمندان سلول های انسانی دستکاری شده ژنتیکی را در موش های مبتلا به دیابت نوع 1 کاشتند. این سلول‌ها معمولاً ساکت هستند، اما وقتی با یک زاپ الکتریکی فعال می‌شوند، می‌توانند انسولین را پمپاژ کنند.

این تیم از سوزن‌های طب سوزنی برای ارائه محرک به مدت 10 ثانیه در روز استفاده کردند و سطح قند خون در موش‌ها در عرض یک ماه به حالت عادی بازگشت. جوندگان حتی پس از یک وعده غذایی بزرگ بدون نیاز به انسولین خارجی، توانایی مدیریت سطح قند خون را دوباره به دست آوردند، که معمولاً یک شاهکار دشوار است.

این رابط‌ها که «الکتروژنتیک» نامیده می‌شوند، هنوز در مراحل اولیه هستند. اما این تیم به ویژه برای پتانسیل آنها در پوشیدنی ها برای هدایت مستقیم درمان برای اختلالات متابولیک و بالقوه دیگر هیجان زده است. به گفته آنها، از آنجایی که این راه اندازی به انرژی بسیار کمی نیاز دارد، سه باتری AA می توانند تزریق روزانه انسولین را برای بیش از پنج سال آغاز کنند.

این مطالعه جدیدترین موردی است که کنترل‌های آنالوگ بدن - بیان ژن - را با نرم‌افزارهای دیجیتال و قابل برنامه‌ریزی مانند برنامه‌های گوشی‌های هوشمند متصل می‌کند. این تیم گفت: این سیستم "یک جهش به جلو است که نشان دهنده حلقه گمشده ای است که ابزارهای پوشیدنی را قادر می سازد تا ژن ها را در آینده نه چندان دور کنترل کنند."

مشکل با کنترل های ژنتیکی

بیان ژن به صورت آنالوگ عمل می کند. DNA دارای چهار حرف ژنتیکی (A، T، C و G) است که یادآور 0 و 1 های کامپیوتر است. با این حال، کد ژنتیکی نمی تواند زندگی را بسازد و تنظیم کند مگر اینکه به پروتئین ترجمه شود. این فرآیند که بیان ژن نامیده می شود، ده ها مولکول زیستی را جذب می کند که هر کدام توسط دیگران کنترل می شوند. "به روز رسانی" برای هر مدار ژنتیکی توسط تکامل هدایت می شود، که در مقیاس های زمانی طولانی کار می کند. اگرچه کتاب زیست شناسی قدرتمند است، اما دقیقاً کارآمد نیست.

زیست شناسی مصنوعی را وارد کنید. این میدان ژن‌های جدید را جمع‌آوری می‌کند و به سلول‌ها ضربه می‌زند تا مدارهای پیچیده را با استفاده از منطق ماشین‌ها تشکیل یا دوباره سیم‌کشی کند. آزمایش‌های اولیه نشان داد که مدارهای مصنوعی می‌توانند فرآیندهای بیولوژیکی را که معمولاً منجر به سرطان، عفونت و درد می‌شوند، کنترل کنند. اما فعال کردن آن‌ها اغلب به مولکول‌هایی به عنوان محرک نیاز دارد - آنتی‌بیوتیک‌ها، ویتامین‌ها، افزودنی‌های غذا، یا مولکول‌های دیگر- که این سیستم‌ها را در قلمرو محاسبات بیولوژیکی آنالوگ نگه می‌دارند.

رابط های عصبی قبلاً شکاف بین شبکه های عصبی - یک سیستم محاسباتی آنالوگ - و رایانه های دیجیتال را پر کرده اند. آیا می توانیم همین کار را برای زیست شناسی مصنوعی انجام دهیم؟

زیست شناسی مصنوعی دیجیتال

راه حل این تیم، فناوری تنظیم DC یا DART است.

در اینجا نحوه کار راه اندازی آمده است. در هسته، گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) قرار دارند که اغلب به عنوان شرور که باعث پیری و فرسودگی بافت می‌شوند، شناخته می‌شوند. با این حال، بدن ما به طور معمول این مولکول ها را در طول فرآیند متابولیک تولید می کند.

برای به حداقل رساندن آسیب به مولکول ها، ما یک بیوسنسور پروتئین طبیعی برای اندازه گیری سطوح ROS داریم. حسگر زیستی با پروتئینی به نام NRF2 از نزدیک کار می کند. این زوج به طور معمول در قسمتی از سلول که از بیشتر مواد ژنتیکی جدا شده است، آویزان می شوند. هنگامی که سطح ROS به سرعت هشدار دهنده ای افزایش می یابد، حسگر NRF2 را آزاد می کند که تونل به محفظه ذخیره DNA سلول - هسته - می رود تا ژن هایی را روشن کند که آشفتگی ROS را پاک می کند.

چرا مهم است؟ نویسندگان توضیح دادند که NRF2 می تواند به صورت مهندسی ژنتیکی برای فعال کردن سایر ژن ها با استفاده از زیست شناسی مصنوعی ساخته شود. بار از قبلی کار نشان داد برق می تواند سلول ها را برای پمپاژ ROS در سطح ایمن برای کنترل ژنتیکی تحریک کند. به عبارت دیگر، تحریک سلول‌ها با الکتریسیته می‌تواند ROS را آزاد کند، که سپس «عامل مخفی» NRF2 را فعال می‌کند تا هر ژنی را که انتخاب می‌کنید بچرخاند.

DART تمام این کارهای قبلی را در یک سیستم بسیار کارآمد و کم انرژی برای کنترل ژن الکتریکی ترکیب می کند. باتری ها ماشه، ROS پیام رسان و NRF2 سوئیچ ژنتیکی «روشن» هستند.

برای ساختن این سیستم، سلول های انسانی در ظروف پتری ابتدا یک تنظیم ژنتیکی دریافت کردند تا حسگرهای زیستی و NRF2 بیشتری را نسبت به همتایان طبیعی خود بیان کنند و به نوبه خود سلول های مهندسی شده را با سطوح ROS هماهنگ کنند.

سپس طراحی ماشه آمد. در اینجا، تیم از سوزن‌های طب سوزنی الکتریکی که قبلاً توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تأیید شده بود، استفاده کردند. برای تامین انرژی سوزن‌ها، این تیم با استفاده از باتری‌های AA، AAA یا دکمه‌ای کاوش کردند - این باتری‌ها معمولاً در پوشیدنی‌ها قرار دارند - و پیکربندی‌های مختلف باتری را اندازه‌گیری کردند که ولتاژ کافی برای تحریک ROS در سلول‌های مهندسی شده تولید می‌کرد.

در یک کارآزمایی از پروتئین سبز روشن در تاریکی به عنوان شاخص استفاده شد. زاپینگ سلول ها با انفجارهای کوتاه الکتریسیته، مولکول های ROS را پمپاژ می کند. حسگرهای زیستی سلول افزایش یافتند و به نوبه خود NRF2 را آزاد کردند که به دستگاه ژنتیکی افزوده شده مصنوعی که پروتئین‌های سبز را بیان می‌کند متصل شد و آن را روشن کرد.

ماشه الکتریکی کاملاً برگشت‌پذیر بود و سلول‌ها در شرایط عادی و سالم "بازنشانی" می‌کردند و می‌توانستند یک دور الکتریکی دیگر را تحمل کنند.

ما می‌خواستیم به طور مستقیم بیان ژن را با استفاده از الکتریسیته برای مدت طولانی کنترل کنیم. حالا ما بالاخره موفق شدیم،” گفت: فوسنگر.

راه حل باتری برای دیابت؟

تیم با تشویق، سپس سعی کردند از DART برای کنترل ژن انسولین استفاده کنند. انسولین برای تنظیم قند خون ضروری است و سطح آن در دیابت مختل می شود. تیم با زمین بیگانه نیست، قبلا مهندسی سلول های طراح که انسولین را در پاسخ به تغییرات ولتاژ پمپ می کنند.

این تیم با استفاده از DART، ژن‌های تولیدکننده انسولین را در سلول‌های انسانی مهندسی ژنتیکی کردند که تنها در حضور ROS پس از تحریک الکتریکی روشن می‌شدند. این راه‌اندازی در ظروف پتری کاملاً کار می‌کرد، با سلول‌هایی که پس از قطع شدن با الکتریسیته انسولین آزاد می‌کردند و متعاقباً در ROS دوش می‌گرفتند.

سپس سلول های مهندسی شده در یک ماده ژله مانند با مجوز بالینی کپسوله شدند و در زیر پوست در پشت موش های مبتلا به دیابت نوع 1 کاشته شدند. این موش ها به طور معمول نمی توانند به تنهایی انسولین تولید کنند.

کنترلر DART نسبتا ساده است: دو سوزن طب سوزنی پوشیده شده با پلاتین که توسط سه باتری AA تغذیه می شود و به یک کلید برق 12 ولت متصل می شود که سلول های مهندسی شده کاشته شده را هدف قرار می دهد. به‌عنوان کنترل، این تیم همچنین موش‌ها را با سوزن‌های طب سوزنی دورتر از سلول‌های کاشته‌شده سوراخ کردند. هر گروه فقط به مدت 10 ثانیه در روز از بین می رفت.

در مقایسه با گروه کنترل، تنها در چهار هفته درمان الکتروژنتیکی امیدوارکننده بود. موش ها بهتر می توانستند با رژیم غذایی با قند خون پایین مبارزه کنند و در نهایت سطح قند خون طبیعی خود را بازیابی کردند. آنها همچنین در تنظیم سطح قند خون بعد از غذا مهارت داشتند، چیزی که در افراد مبتلا به دیابت بدون استفاده از انسولین دشوار است. سایر اقدامات متابولیک نیز بهبود یافته است.

گام بعدی یافتن راه‌هایی برای جایگزینی نیاز به سلول‌های دستکاری شده ژنتیکی مورد استفاده در ایمپلنت‌ها با یک راه‌حل بالینی قابل دوام است.

اما برای نویسندگان، DART نشان دهنده یک نقشه راه برای پیوند بیشتر بدن های بیولوژیکی به قلمرو دیجیتال است. پیوند دادن کنترل‌های DART به طیف وسیعی از بیوداروها در داخل سلول‌ها باید ساده باشد. به گفته نویسندگان، با بهینه‌سازی بیشتر، این رابط‌های الکتروژنتیکی «نوید بزرگی برای انواع درمان‌های مبتنی بر ژن و سلول در آینده دارند».

تصویر های اعتباری: پگی و مارکو لاچمان-آنکه از جانب Pixabay