Une étude électrogénétique révèle que nous pourrions un jour contrôler nos gènes avec des appareils portables

Une étude électrogénétique révèle que nous pourrions un jour contrôler nos gènes avec des appareils portables

Horodatage: 4 août 2023 10:00
Une étude électrogénétique révèle que nous pourrions un jour contrôler nos gènes avec les appareils portables PlatoBlockchain Data Intelligence. Recherche verticale. Aï.

Les composants sonnent comme les conséquences d'une retraite de shopping et de spa : trois piles AA. Deux aiguilles d'acupuncture électriques. Un support en plastique qui est généralement attaché aux guirlandes lumineuses à piles. Mais ensemble, ils fusionnent en un puissant dispositif de stimulation qui utilise des piles domestiques pour contrôler l'expression des gènes dans les cellules.

L'idée semble folle, mais une nouvelle étude in Métabolisme de la nature cette semaine a montré que c'est possible. L'équipe, dirigée par le Dr Martin Fussenegger de l'ETH Zurich et de l'Université de Bâle en Suisse, a développé un système qui utilise l'électricité à courant continu - sous forme de batteries ou de banques de batteries portables - pour activer un gène dans des cellules humaines chez des souris. avec un basculement littéral d'un interrupteur.

Pour être clair, la batterie ne peut pas réguler in vivo gènes humains. Pour l'instant, cela ne fonctionne que pour les gènes fabriqués en laboratoire insérés dans des cellules vivantes. Pourtant, l'interface a déjà eu un impact. Dans un test de preuve de concept, les scientifiques ont implanté des cellules humaines génétiquement modifiées chez des souris atteintes de diabète de type 1. Ces cellules sont normalement silencieuses, mais peuvent pomper de l'insuline lorsqu'elles sont activées par un zap électrique.

L'équipe a utilisé des aiguilles d'acupuncture pour délivrer le déclencheur pendant 10 secondes par jour, et les niveaux de sucre dans le sang des souris sont revenus à la normale en un mois. Les rongeurs ont même retrouvé la capacité de gérer leur glycémie après un repas copieux sans avoir besoin d'insuline externe, un exploit normalement difficile.

Appelées « électrogénétiques », ces interfaces en sont encore à leurs balbutiements. Mais l'équipe est particulièrement enthousiasmée par leur potentiel dans les appareils portables pour guider directement la thérapeutique des troubles métaboliques et potentiellement d'autres troubles. Parce que la configuration nécessite très peu d'énergie, trois piles AA pourraient déclencher une injection quotidienne d'insuline pendant plus de cinq ans, ont-ils déclaré.

L'étude est la dernière à connecter les contrôles analogiques du corps - l'expression des gènes - avec des logiciels numériques et programmables tels que des applications pour smartphone. Le système est "un bond en avant, représentant le chaînon manquant qui permettra aux appareils portables de contrôler les gènes dans un avenir pas si lointain", a déclaré l'équipe.

Le problème avec les contrôles génétiques

L'expression des gènes fonctionne en analogue. L'ADN a quatre lettres génétiques (A, T, C et G), qui rappellent les 0 et les 1 d'un ordinateur. Cependant, le code génétique ne peut construire et réguler la vie que s'il est traduit en protéines. Le processus, appelé expression génique, recrute des dizaines de biomolécules, dont chacune est contrôlée par les autres. Les « mises à jour » de tous les circuits génétiques sont motivées par l'évolution, qui fonctionne sur des échelles de temps notoirement longues. Bien que puissant, le manuel de biologie n'est pas vraiment efficace.

Entrez la biologie synthétique. Le domaine assemble de nouveaux gènes et puise dans les cellules pour former ou recâbler des circuits complexes en utilisant la logique des machines. Les premières expériences ont montré que les circuits synthétiques peuvent contrôler les processus biologiques qui entraînent normalement le cancer, les infections et la douleur. Mais leur activation nécessite souvent des molécules comme déclencheurs - antibiotiques, vitamines, additifs alimentaires ou autres molécules - maintenant ces systèmes dans le domaine de l'informatique biologique analogique.

Les interfaces neuronales ont déjà comblé le fossé entre les réseaux neuronaux - un système informatique analogique - et les ordinateurs numériques. Peut-on faire de même pour la biologie synthétique ?

Biologie synthétique numérique

La solution de l'équipe est la technologie de régulation actionnée par courant continu, ou DART.

Voici comment fonctionne la configuration. Au cœur se trouvent les espèces réactives de l'oxygène (ROS), souvent connues comme le méchant qui entraîne le vieillissement et l'usure des tissus. Cependant, notre corps produit normalement ces molécules au cours du processus métabolique.

Pour minimiser les dommages aux molécules, nous avons un biocapteur de protéines naturelles pour mesurer les niveaux de ROS. Le biocapteur travaille en étroite collaboration avec une protéine appelée NRF2. Le couple traîne normalement dans la partie gluante de la cellule, isolée de la plupart du matériel génétique. Lorsque les niveaux de ROS augmentent à un rythme alarmant, le capteur libère NRF2, qui pénètre dans le conteneur de stockage d'ADN de la cellule - le noyau - pour activer les gènes qui nettoient le désordre des ROS.

En quoi est-ce important? NRF2 peut être génétiquement modifié pour activer d'autres gènes en utilisant la biologie synthétique, ont expliqué les auteurs. Une charge de précédente travail montré électricité peut déclencher des cellules pour pomper les ROS à un niveau sûr pour le contrôle génétique. En d'autres termes, la stimulation des cellules avec de l'électricité pourrait libérer des ROS, qui activent alors «l'agent secret» NRF2 pour activer n'importe quel gène de votre choix.

DART combine tous ces travaux antérieurs dans un système très efficace et à faible consommation d'énergie pour le contrôle des gènes électriques. Les piles sont le déclencheur, ROS le messager et NRF2 l'interrupteur génétique "on".

Pour construire le système, les cellules humaines dans les boîtes de Pétri ont d'abord obtenu une mise au point génétique pour les faire exprimer plus de biocapteur et de NRF2 que leurs homologues naturels, rendant ainsi les cellules modifiées plus adaptées aux niveaux de ROS.

Puis vint la conception du déclencheur. Ici, l'équipe a utilisé des aiguilles d'acupuncture électriques déjà approuvées par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. Pour alimenter les aiguilles, l'équipe a exploré l'utilisation de piles AA, AAA ou bouton - ces dernières sont normalement à l'intérieur des appareils portables - et a mesuré différentes configurations de batterie qui produisaient une tension suffisante pour stimuler les ROS dans les cellules conçues.

Un essai a utilisé une protéine verte phosphorescente comme indicateur. Zapping les cellules avec de brèves rafales d'électricité pompé des molécules ROS. Les biocapteurs de la cellule se sont réveillés, libérant à leur tour NRF2, qui s'est verrouillé sur la machinerie génétique ajoutée par synthèse qui exprime les protéines vertes et l'a activée.

Le déclencheur électrique était entièrement réversible, les cellules se «réinitialisant» dans des conditions normales et saines et capables de résister à une autre remise des gaz électrique.

« Nous voulions depuis longtemps contrôler directement l'expression des gènes à l'aide de l'électricité ; maintenant nous avons finalement réussi, " a affirmé Valérie Plante. Füssenegger.

Une solution de batterie au diabète ?

Encouragée, l'équipe a ensuite essayé d'utiliser DART pour contrôler le gène de l'insuline. L'insuline est essentielle à la régulation de la glycémie et ses niveaux sont perturbés dans le diabète. L'équipe n'est pas étrangère au terrain, auparavant ingénierie cellules de conception qui pompent l'insuline en réponse aux changements de tension.

À l'aide de DART, l'équipe a génétiquement modifié des gènes producteurs d'insuline dans des cellules humaines, qui ne s'activaient qu'en présence de ROS après une stimulation électrique. La configuration a parfaitement fonctionné dans les boîtes de Pétri, les cellules libérant de l'insuline après avoir été zappées d'électricité puis arrosées de ROS.

Les cellules modifiées ont ensuite été encapsulées dans une substance ressemblant à de la gelée sous licence clinique et implantées sous la peau sur le dos de souris atteintes de diabète de type 1. Ces souris ne peuvent normalement pas produire d'insuline par elles-mêmes.

Le contrôleur DART est relativement simple : deux aiguilles d'acupuncture recouvertes de platine alimentées par trois piles AA et câblées à un interrupteur d'alimentation 12 V qui cible les cellules artificielles implantées. Comme contrôle, l'équipe a également piqué des souris avec des aiguilles d'acupuncture loin des cellules implantées. Chaque groupe était zappé pendant seulement 10 secondes par jour.

Comparé aux témoins, en seulement quatre semaines, le traitement électrogénétique s'est révélé prometteur. Les souris pouvaient mieux lutter contre l'hypoglycémie due à un régime, et finalement elles ont restauré leur glycémie normale. Ils étaient également aptes à réguler la glycémie après un repas, ce qui est difficile chez les personnes atteintes de diabète sans utiliser d'insuline. D'autres mesures métaboliques se sont également améliorées.

La prochaine étape consiste à trouver des moyens de remplacer le besoin de cellules génétiquement modifiées utilisées dans les implants par une solution plus viable sur le plan clinique.

Mais pour les auteurs, DART représente une feuille de route pour relier davantage les corps biologiques au domaine numérique. Il devrait être simple de lier les contrôles DART à un large éventail de produits biopharmaceutiques à l'intérieur des cellules. Avec plus d'optimisation, ces interfaces électrogénétiques "sont très prometteuses pour une variété de futures thérapies géniques et cellulaires", ont déclaré les auteurs.

Crédit image: Peggy et Marco Lachmann-Anke De Pixabay

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