Studi Elektrogenetika Menemukan Suatu Hari Kita Bisa Mengontrol Gen Kita Dengan Perangkat yang Dapat Dipakai

Studi Elektrogenetika Menemukan Suatu Hari Kita Bisa Mengontrol Gen Kita Dengan Perangkat yang Dapat Dipakai

Stempel Waktu: 4 Agustus 2023 10
Studi Elektrogenetika Menemukan Suatu Hari Kita Bisa Mengontrol Gen Kita Dengan Kecerdasan Data PlatoBlockchain yang Dapat Dipakai. Pencarian Vertikal. Ai.

Komponennya terdengar seperti hasil retret belanja dan spa: tiga baterai AA. Dua jarum akupunktur listrik. Satu dudukan plastik yang biasanya dipasang pada lampu peri bertenaga baterai. Tapi bersama-sama mereka bergabung menjadi perangkat stimulasi yang kuat yang menggunakan baterai rumah tangga untuk mengontrol ekspresi gen dalam sel.

Idenya tampak liar, tapi sebuah studi baru in Metabolisme Alam minggu ini menunjukkan bahwa itu mungkin. Tim yang dipimpin oleh Dr. Martin Fussenegger di ETH Zurich dan University of Basel di Swiss, mengembangkan sistem yang menggunakan listrik arus searah—dalam bentuk baterai atau bank baterai portabel—untuk menghidupkan gen dalam sel manusia pada tikus. dengan flip literal dari sebuah saklar.

Untuk lebih jelasnya, paket baterai tidak dapat diatur in vivo gen manusia. Untuk saat ini, ini hanya berfungsi untuk gen buatan laboratorium yang dimasukkan ke dalam sel hidup. Namun antarmuka telah berdampak. Dalam uji pembuktian konsep, para ilmuwan menanamkan sel manusia yang direkayasa secara genetik ke tikus dengan diabetes tipe 1. Sel-sel ini biasanya tidak bersuara, tetapi dapat memompa keluar insulin saat diaktifkan dengan sengatan listrik.

Tim menggunakan jarum akupunktur untuk memberikan pemicu selama 10 detik sehari, dan kadar gula darah pada tikus kembali normal dalam waktu satu bulan. Hewan pengerat itu bahkan mendapatkan kembali kemampuan untuk mengatur kadar gula darah setelah makan besar tanpa perlu insulin eksternal, suatu prestasi yang biasanya sulit.

Disebut "electrogenetics," antarmuka ini masih dalam masa pertumbuhan. Tetapi tim sangat bersemangat untuk potensi mereka dalam perangkat yang dapat dikenakan untuk secara langsung memandu terapi untuk metabolisme dan kemungkinan gangguan lainnya. Karena penyetelan membutuhkan daya yang sangat kecil, tiga baterai AA dapat memicu suntikan insulin setiap hari selama lebih dari lima tahun, kata mereka.

Studi ini adalah yang terbaru untuk menghubungkan kontrol analog tubuh—ekspresi gen—dengan perangkat lunak digital dan yang dapat diprogram seperti aplikasi smartphone. Sistem ini adalah "lompatan ke depan, mewakili mata rantai yang hilang yang akan memungkinkan perangkat yang dapat dikenakan untuk mengontrol gen dalam waktu yang tidak terlalu lama," kata tim tersebut.

Masalah Dengan Kontrol Genetik

Ekspresi gen beroperasi secara analog. DNA memiliki empat huruf genetik (A, T, C, dan G), yang mengingatkan pada 0 dan 1 komputer. Namun, kode genetik tidak dapat membangun dan mengatur kehidupan kecuali diterjemahkan menjadi protein. Prosesnya, yang disebut ekspresi gen, merekrut lusinan biomolekul, yang masing-masing dikendalikan oleh yang lain. "Pembaruan" ke sirkuit genetik apa pun didorong oleh evolusi, yang bekerja pada skala waktu yang sangat lama. Meskipun kuat, buku pedoman biologi tidak sepenuhnya efisien.

Masukkan biologi sintetik. Lapangan merakit gen baru dan memasuki sel untuk membentuk atau memasang ulang sirkuit kompleks menggunakan logika mesin. Eksperimen awal menunjukkan bahwa sirkuit sintetis dapat mengontrol proses biologis yang biasanya menyebabkan kanker, infeksi, dan rasa sakit. Tetapi untuk mengaktifkannya sering kali membutuhkan molekul sebagai pemicunya—antibiotik, vitamin, bahan tambahan makanan, atau molekul lain—menjaga sistem ini dalam ranah komputasi biologis analog.

Antarmuka saraf telah menjembatani kesenjangan antara jaringan saraf — sistem komputasi analog — dan komputer digital. Bisakah kita melakukan hal yang sama untuk biologi sintetik?

Biologi Sintetik Digital

Solusi tim adalah teknologi regulasi yang digerakkan oleh DC, atau DART.

Begini cara kerja pengaturannya. Intinya adalah spesies oksigen reaktif (ROS), sering dikenal sebagai penjahat yang mendorong penuaan dan keausan jaringan. Namun, tubuh kita biasanya menghasilkan molekul ini selama proses metabolisme.

Untuk meminimalkan kerusakan molekul, kami memiliki biosensor protein alami untuk mengukur tingkat ROS. Biosensor bekerja sama dengan protein yang disebut NRF2. Pasangan itu biasanya nongkrong di bagian goopy sel, terisolasi dari sebagian besar materi genetik. Ketika tingkat ROS naik ke tingkat yang mengkhawatirkan, sensor melepaskan NRF2, yang masuk ke dalam wadah penyimpanan DNA sel—nukleus—untuk mengaktifkan gen yang membersihkan kekacauan ROS.

Mengapa itu penting? NRF2 dapat direkayasa secara genetik untuk menghidupkan gen lain menggunakan biologi sintetik, jelas para penulis. Sebuah beban dari sebelumnya kerja menunjukkan listrik dapat memicu sel untuk memompa keluar ROS pada tingkat yang aman untuk kontrol genetik. Dengan kata lain, merangsang sel dengan listrik dapat melepaskan ROS, yang kemudian mengaktifkan "agen rahasia" NRF2 untuk mengaktifkan gen apa pun yang Anda pilih.

DART menggabungkan semua pekerjaan sebelumnya menjadi sistem energi rendah yang sangat efisien untuk kontrol gen listrik. Baterai adalah pemicunya, ROS sebagai pembawa pesan, dan NRF2 sebagai sakelar "aktif" genetik.

Untuk membangun sistem, sel manusia dalam cawan Petri pertama-tama mendapat penyetelan genetik untuk membuat mereka mengekspresikan lebih banyak biosensor dan NRF2 daripada rekan alami mereka, yang pada gilirannya membuat sel yang direkayasa lebih selaras dengan tingkat ROS.

Lalu datang merancang pemicunya. Di sini, tim menggunakan jarum akupunktur listrik yang sudah disetujui oleh Food and Drug Administration (FDA) AS. Untuk memberi daya pada jarum, tim mengeksplorasi menggunakan baterai AA, AAA, atau tombol — yang terakhir biasanya berada di dalam perangkat yang dapat dikenakan — dan mengukur konfigurasi baterai yang berbeda yang menghasilkan voltase yang cukup untuk merangsang ROS dalam sel yang direkayasa.

Satu percobaan menggunakan protein hijau menyala dalam gelap sebagai indikator. Menyetrum sel dengan semburan listrik singkat memompa keluar molekul ROS. Biosensor sel meningkat, pada gilirannya melepaskan NRF2, yang menempel pada mesin genetik yang ditambahkan secara sintetik yang mengekspresikan protein hijau dan menyalakannya.

Pemicu listrik sepenuhnya dapat dibalik, dengan sel-sel "mengatur ulang" ke kondisi normal, sehat dan mampu menahan gangguan listrik lainnya.

“Kami sudah lama ingin mengontrol ekspresi gen secara langsung menggunakan listrik; sekarang kita akhirnya berhasil,” tersebut Fussenegger.

Solusi Baterai untuk Diabetes?

Didorong, tim selanjutnya mencoba menggunakan DART untuk mengontrol gen insulin. Insulin sangat penting untuk mengatur gula darah, dan kadarnya terganggu pada diabetes. Tim ini tidak asing dengan lapangan, rekayasa sebelumnya sel perancang yang memompa insulin sebagai respons terhadap perubahan voltase.

Menggunakan DART, tim merekayasa secara genetik gen penghasil insulin ke dalam sel manusia, yang hanya aktif di hadapan ROS setelah stimulasi listrik. Penyiapan bekerja dengan sempurna di cawan Petri, dengan sel melepaskan insulin setelah disengat listrik dan kemudian dihujani ROS.

Sel-sel yang direkayasa kemudian dienkapsulasi menjadi zat seperti jeli berlisensi klinis dan ditanamkan di bawah kulit di punggung tikus dengan diabetes tipe 1. Tikus ini biasanya tidak dapat memproduksi insulin sendiri.

Pengontrol DART relatif sederhana: dua jarum akupunktur yang dilapisi dengan platinum yang ditenagai oleh tiga baterai AA dan disambungkan ke sakelar daya 12V yang menargetkan sel rekayasa yang ditanamkan. Sebagai kontrol, tim juga menusuk tikus dengan jarum akupuntur jauh dari sel yang ditanam. Setiap kelompok disetrum hanya selama 10 detik sehari.

Dibandingkan dengan kontrol, hanya dalam empat minggu perawatan elektrogenetik menunjukkan hasil yang menjanjikan. Tikus bisa melawan gula darah rendah dengan lebih baik dari diet, dan akhirnya mereka mengembalikan kadar gula darah normal mereka. Mereka juga mahir mengatur kadar gula darah setelah makan, sesuatu yang sulit pada penderita diabetes tanpa menggunakan insulin. Langkah-langkah metabolisme lainnya juga meningkat.

Langkah selanjutnya adalah menemukan cara untuk menggantikan kebutuhan sel rekayasa genetika yang digunakan dalam implan dengan solusi yang lebih layak secara klinis.

Namun bagi penulis, DART merupakan peta jalan untuk lebih jauh menjembatani tubuh biologis ke ranah digital. Seharusnya mudah untuk menghubungkan kontrol DART ke berbagai biofarmasi di dalam sel. Dengan lebih mengoptimalkan, antarmuka elektrogenetik ini “sangat menjanjikan untuk berbagai terapi berbasis gen dan sel di masa depan,” kata para penulis.

Gambar Kredit: Peggy dan Marco Lachmann-Anke dari Pixabay

Stempel Waktu:

Lebih dari Hub Singularity