Elektrogenetiikan tutkimus osoittaa, että voisimme jonain päivänä hallita geenejämme puettavien vaatteiden avulla

Komponentit kuulostavat ostos- ja kylpyläretriitin jälkivaikutelmalta: kolme AA-paristoa. Kaksi sähköistä akupunktioneulaa. Yksi muovinen pidike, joka yleensä kiinnitetään akkukäyttöisiin keijuvaloihin. Mutta yhdessä ne sulautuvat tehokkaaksi stimulaatiolaitteeksi, joka käyttää kotitalouksien paristoja geenien ilmentymisen hallintaan soluissa.

Ajatus näyttää hurjalta, mutta uusi tutkimus in Luonnon aineenvaihdunta tämä viikko osoitti, että se on mahdollista. ETH Zürichin ja Sveitsin Baselin yliopiston tohtori Martin Fusseneggerin johtama tiimi kehitti järjestelmän, joka käyttää tasavirtasähköä – paristojen tai kannettavien akkupankkien muodossa – käynnistääkseen geenin hiirten ihmissoluissa. kirjaimellisesti kääntämällä kytkimen.

Selvyyden vuoksi akkua ei voi säätää in vivo ihmisen geenejä. Toistaiseksi se toimii vain laboratoriossa valmistettujen geenien kanssa, jotka on lisätty eläviin soluihin. Käyttöliittymä on kuitenkin jo vaikuttanut. Todistustestissä tutkijat istuttivat geenimanipuloituja ihmissoluja hiiriin, joilla oli tyypin 1 diabetes. Nämä solut ovat normaalisti hiljaisia, mutta ne voivat pumpata insuliinia, kun ne aktivoituvat sähköiskulla.

Tiimi käytti akupunktioneuloja laukaisemaan laukaisinta 10 sekuntia päivässä, ja hiirten verensokeritasot palautuivat normaaliksi kuukauden kuluessa. Jyrsijät jopa saivat takaisin kyvyn hallita verensokeritasoja runsaan aterian jälkeen ilman ulkoista insuliinia, mikä on tavallisesti vaikea suoritus.

Nämä "elektrogenetiikaksi" kutsutut rajapinnat ovat vielä lapsenkengissään. Mutta tiimi on erityisen innoissaan puettavien vaatteiden mahdollisuuksista ohjata suoraan aineenvaihdunnan ja mahdollisesti muiden häiriöiden hoitoa. Koska asennus vaatii hyvin vähän virtaa, kolme AA-paristoa voisi laukaista päivittäisen insuliinipistoksen yli viiden vuoden ajan, he sanoivat.

Tutkimus on viimeisin, joka yhdistää kehon analogiset hallintalaitteet – geenin ilmentymisen – digitaalisiin ja ohjelmoitaviin ohjelmistoihin, kuten älypuhelinsovelluksiin. Järjestelmä on "harppaus eteenpäin, ja se edustaa puuttuvaa lenkkiä, jonka avulla puettavat laitteet voivat hallita geenejä ei niin kaukaisessa tulevaisuudessa", tiimi sanoi.

Geneettisten kontrollien ongelma

Geenien ilmentyminen toimii analogisesti. DNA:ssa on neljä geneettistä kirjainta (A, T, C ja G), jotka muistuttavat tietokoneen nollia ja ykkösiä. Geneettinen koodi ei kuitenkaan voi rakentaa ja säädellä elämää, ellei sitä käännetä proteiineihin. Prosessi, jota kutsutaan geeniekspressioksi, rekrytoi kymmeniä biomolekyylejä, joista kutakin ohjaavat muut. Kaikkien geneettisten piirien "päivityksiä" ohjaa evoluutio, joka toimii tunnetusti pitkillä aikaskaaloilla. Vaikka biologian pelikirja on tehokas, se ei ole aivan tehokas.

Aloita synteettinen biologia. Kenttä kokoaa uusia geenejä ja koskettaa soluja muodostaakseen tai johdottaakseen monimutkaisia ​​piirejä käyttämällä koneiden logiikkaa. Varhaiset kokeet osoittivat, että synteettiset piirit voivat hallita biologisia prosesseja, jotka normaalisti johtavat syöpään, infektioihin ja kipuun. Mutta niiden aktivoiminen vaatii usein molekyylejä laukaisimina – antibiootteja, vitamiineja, elintarvikelisäaineita tai muita molekyylejä – pitäen nämä järjestelmät analogisen biologisen laskennan piirissä.

Hermoliitännät ovat jo ylittäneet hermoverkkojen – analogisen laskentajärjestelmän – ja digitaalisten tietokoneiden välisen kuilun. Voimmeko tehdä saman synteettiselle biologialle?

Digitaalinen synteettinen biologia

Tiimin ratkaisuna on DC-toiminen säätötekniikka eli DART.

Näin asennus toimii. Ytimessä ovat reaktiiviset happilajit (ROS), joka tunnetaan usein konnana, joka ajaa ikääntymistä ja kudosten kulumista. Kehomme kuitenkin tavallisesti tuottaa näitä molekyylejä aineenvaihduntaprosessin aikana.

Molekyylien vaurioitumisen minimoimiseksi meillä on luonnollinen proteiinibiosensori ROS-tasojen mittaamiseksi. Biosensori toimii läheisesti NRF2-nimisen proteiinin kanssa. Pariskunta viettää normaalisti aikaa solun tummassa osassa, eristettynä useimmista geneettisistä materiaaleista. Kun ROS-tasot nousevat hälyttävään vauhtiin, anturi vapauttaa NRF2:n, joka tunneloituu solun DNA-varastosäiliöön - ytimeen - aktivoidakseen geenit, jotka puhdistavat ROS-sotkua.

Miksi sillä on väliä? Kirjoittajat selittivät, että NRF2:ta voidaan muokata geneettisesti käynnistämään muut geenit synteettisen biologian avulla. Kuorma edellisen työ osoittivat sähkö voi laukaista solut pumppaamaan ROS:ää turvallisella tasolla geneettistä kontrollia varten. Toisin sanoen solujen stimulointi sähköllä voi vapauttaa ROS:n, joka sitten aktivoi NRF2:n "salaisen agentin" kääntämään minkä tahansa valitsemasi geenin.

DART yhdistää kaiken tämän aiemman työn erittäin tehokkaaksi, vähän energiaa kuluttavaksi järjestelmäksi sähköiseen geenien hallintaan. Paristot ovat laukaisin, ROS lähettiläs ja NRF2 geneettinen "päällä"-kytkin.

Järjestelmän rakentamiseksi petrimaljoissa olevat ihmissolut saivat ensin geneettisen virityksen, jotta ne ilmensivät enemmän biosensoria ja NRF2:ta kuin luonnolliset vastineensa, mikä vuorostaan ​​teki muokatut solut virittyneemmiksi ROS-tasoille.

Sitten tuli liipaisimen suunnittelu. Täällä ryhmä käytti sähköisiä akupunktioneuloja, jotka Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) oli jo hyväksynyt. Neulojen virran saamiseksi ryhmä tutki AA-, AAA- tai nappiparistoja – jälkimmäiset ovat yleensä puettavien paristojen sisällä – ja mittasivat erilaisia ​​akkukokoonpanoja, jotka tuottivat riittävän jännitteen stimuloimaan ROS:ää muokatuissa soluissa.

Yhdessä tutkimuksessa käytettiin indikaattorina hohtavaa vihreää proteiinia. Solujen purkaminen lyhyillä sähköpurkauksilla pumpattiin ulos ROS-molekyylejä. Solun biosensorit piristyivät ja vapauttivat puolestaan ​​NRF2:n, joka lukittui synteettisesti lisättyyn geneettiseen koneistoon, joka ilmentää vihreitä proteiineja ja käynnisti sen.

Sähköinen liipaisin oli täysin palautuva, ja solut "palautuivat" normaaleihin, terveisiin olosuhteisiin ja kestivät uuden sähköisen kierroksen.

”Olemme jo pitkään halunneet hallita geenien ilmentymistä suoraan sähköllä; nyt olemme vihdoin onnistuneet" sanoi Fussenegger.

Akkuratkaisu diabetekseen?

Rohkaistuna ryhmä yritti seuraavaksi käyttää DART:ia insuliinigeenin hallitsemiseen. Insuliini on välttämätön verensokerin säätelylle, ja sen taso häiriintyy diabeteksessa. Joukkue ei ole kentälle vieras, aiemmin suunniteltu suunnittelijasolut, jotka pumppaavat insuliinia vasteena jännitteen muutoksiin.

DARTin avulla tiimi muunsi geenimuunneltuja insuliinia tuottavia geenejä ihmissoluihin, jotka käynnistyivät vasta ROS:n läsnä ollessa sähköstimulaation jälkeen. Kokoonpano toimi täydellisesti petrimaljoissa, kun solut vapauttavat insuliinia sen jälkeen, kun ne oli purettu sähköllä ja myöhemmin suihkutettu ROS: ssä.

Muokatut solut kapseloitiin sitten kliinisesti lisensoituun hyytelömäiseen aineeseen ja istutettiin ihon alle tyypin 1 diabetesta sairastavien hiirten selkään. Nämä hiiret eivät normaalisti pysty tuottamaan insuliinia yksinään.

DART-ohjain on suhteellisen yksinkertainen: kaksi platinapäällysteistä akupunktioneulaa, jotka saavat virtansa kolmesta AA-paristosta ja kytketty 12 V:n virtakytkimeen, joka kohdistuu istutettuihin suunniteltuihin soluihin. Kontrollina ryhmä myös pisti hiiriä akupunktioneuloilla kaukana istutetuista soluista. Jokaiselle ryhmälle tehtiin vain 10 sekuntia päivässä.

Verrattuna kontrolleihin vain neljässä viikossa elektrogeneettinen hoito oli lupaava. Hiiret pystyivät taistelemaan paremmin laihduttamisesta johtuvan alhaisen verensokerin kanssa, ja lopulta ne palasivat normaaliin verensokeritasoonsa. He olivat myös taitavia säätelemään verensokeritasoja aterian jälkeen, mikä on vaikeaa diabeetikoille ilman insuliinia. Myös muut aineenvaihduntatoimet paranivat.

Seuraava askel on löytää tapoja korvata implanteissa käytettyjen geneettisesti muokattujen solujen tarve kliinisesti elinkelpoisemmalla ratkaisulla.

Mutta kirjoittajille DART edustaa etenemissuunnitelmaa biologisten ruumiiden sillan lisäämiseksi digitaaliseen maailmaan. Pitäisi olla yksinkertaista yhdistää DART-säätimet useisiin solujen sisällä oleviin biofarmaseuttisiin valmisteisiin. Paremmalla optimoinnilla näillä elektrogeneettisillä rajapinnoilla on suuri lupaus useille tuleville geeni- ja solupohjaisille hoitomuodoille, kirjoittajat sanoivat.

Kuva pistetilanne: Peggy ja Marco Lachmann-Anke alkaen Pixabay

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/