מחקר אלקטרוגנטיקה מגלה שיום אחד נוכל לשלוט בגנים שלנו באמצעות פריטים לבישים

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

מחקר אלקטרוגנטיקה מגלה שיום אחד נוכל לשלוט בגנים שלנו באמצעות אינטליגנציה של PlatoBlockchain נתונים לבישים. חיפוש אנכי. איי.

הרכיבים נשמעים כמו השלכות של חופשת קניות וספא: שלוש סוללות AA. שתי מחטי דיקור חשמליות. מחזיק פלסטיק אחד שמחובר בדרך כלל לאורות פיות המופעלים על ידי סוללה. אבל יחד הם מתמזגים למכשיר גירוי רב עוצמה שמשתמש בסוללות ביתיות כדי לשלוט בביטוי הגנים בתאים.

הרעיון נראה פרוע, אבל מחקר חדש in טבע מטבוליזם השבוע הראה שזה אפשרי. הצוות, בראשותו של ד"ר מרטין פוסנגר ב-ETH ציריך ואוניברסיטת באזל בשוויץ, פיתח מערכת המשתמשת בחשמל בזרם ישר - בצורה של סוללות או בנקי סוללות ניידים - כדי להפעיל גן בתאים אנושיים בעכברים. עם סיבוב מילולי של מתג.

כדי להיות ברור, ערכת הסוללות לא יכולה לווסת in vivo גנים אנושיים. לעת עתה, זה עובד רק עבור גנים תוצרת מעבדה המוכנסים לתאים חיים. עם זאת, לממשק כבר הייתה השפעה. במבחן הוכחת מושג, המדענים השתילו תאים אנושיים מהונדסים גנטית בעכברים עם סוכרת מסוג 1. תאים אלה בדרך כלל שקטים, אך יכולים לשאוב אינסולין כאשר הם מופעלים עם זאפ חשמלי.

הצוות השתמש במחטי דיקור כדי לספק את הטריגר למשך 10 שניות ביום, ורמות הסוכר בדם בעכברים חזרו לקדמותו תוך חודש. המכרסמים אף החזירו לעצמם את היכולת לנהל את רמות הסוכר בדם לאחר ארוחה גדולה ללא צורך באינסולין חיצוני, הישג קשה בדרך כלל.

המכונה "אלקטרוגנטיקה", ממשקים אלה נמצאים עדיין בחיתוליהם. אבל הצוות נרגש במיוחד מהפוטנציאל שלהם בציוד לביש להנחות ישירות טיפולים להפרעות מטבוליות ואולי אחרות. מכיוון שההתקנה דורשת מעט מאוד חשמל, שלוש סוללות AA יכולות להפעיל זריקת אינסולין יומית למשך יותר מחמש שנים, אמרו.

המחקר הוא האחרון שחיבר את הפקדים האנלוגיים של הגוף - ביטוי גנים - עם תוכנות דיגיטליות וניתנות לתכנות כמו אפליקציות לסמארטפון. המערכת היא "קפיצת מדרגה, המייצגת את החוליה החסרה שתאפשר לרכיבים לבישים לשלוט בגנים בעתיד הלא כל כך רחוק", אמר הצוות.

הבעיה עם בקרות גנטיות

ביטוי גנים פועל באנלוגי. ל-DNA יש ארבע אותיות גנטיות (A, T, C ו-G), שמזכירות את ה-0 וה-1 של המחשב. עם זאת, הקוד הגנטי לא יכול לבנות ולווסת חיים אלא אם כן הוא מתורגם לחלבונים. התהליך, הנקרא ביטוי גנים, מגייס עשרות ביומולקולות, שכל אחת מהן נשלטת על ידי אחרים. "עדכונים" למעגלים גנטיים כלשהם מונעים על ידי אבולוציה, שפועלת בטווחי זמן ארוכים הידועים לשמצה. למרות שהוא חזק, ספר הביולוגיה לא בדיוק יעיל.

היכנסו לביולוגיה סינתטית. התחום מרכיב גנים חדשים ומתחבר לתאים כדי ליצור או לחוט מחדש מעגלים מורכבים באמצעות ההיגיון של מכונות. ניסויים מוקדמים הראו שמעגלים סינתטיים יכולים לשלוט בתהליכים ביולוגיים שגורמים בדרך כלל לסרטן, זיהומים וכאבים. אבל הפעלתן דורשת לעתים קרובות מולקולות כטריגר - אנטיביוטיקה, ויטמינים, תוספי מזון או מולקולות אחרות - שמירה על מערכות אלו בתחום המחשוב הביולוגי האנלוגי.

ממשקים עצביים כבר גשרו על הפער בין רשתות עצביות - מערכת מחשוב אנלוגית - לבין מחשבים דיגיטליים. האם אנחנו יכולים לעשות את אותו הדבר עבור ביולוגיה סינתטית?

ביולוגיה סינתטית דיגיטלית

הפתרון של הצוות הוא טכנולוגיית ויסות המופעלת באמצעות DC, או DART.

הנה איך ההגדרה עובדת. בליבה נמצאים מיני חמצן תגובתיים (ROS), הידועים לרוב כנבל שמניע את ההזדקנות ובלאי רקמות. עם זאת, הגוף שלנו מייצר בדרך כלל מולקולות אלו במהלך התהליך המטבולי.

כדי למזער נזקים למולקולות, יש לנו חיישן חלבון טבעי לאמוד רמות ROS. החיישן הביולוגי עובד בשיתוף פעולה הדוק עם חלבון הנקרא NRF2. בני הזוג מסתובבים בדרך כלל בחלק הגופי של התא, מבודד מרוב החומר הגנטי. כאשר רמות ה-ROS עולות לקצב מדאיג, החיישן משחרר את ה-NRF2, אשר עובר לתוך מיכל אחסון ה-DNA של התא - הגרעין - כדי להפעיל גנים שמנקים את בלגן ה-ROS.

למה זה משנה? NRF2 ניתן להנדסה גנטית כדי להפעיל גנים אחרים באמצעות ביולוגיה סינתטית, הסבירו המחברים. משא של הקודם לעבוד הראה חשמל יכול לעורר תאים לשאוב ROS ברמה בטוחה לבקרה גנטית. במילים אחרות, תאים מעוררים עם חשמל יכולים לשחרר ROS, אשר לאחר מכן מפעיל את "הסוכן הסודי" של NRF2 כדי להפעיל כל גן לבחירתכם.

DART משלב את כל העבודה הקודמת הזו למערכת יעילה ביותר, בעלת אנרגיה נמוכה לבקרת גנים חשמליים. סוללות הן הטריגר, ROS השליח, ו-NRF2 מתג ה"הפעלה" הגנטי.

כדי לבנות את המערכת, תאים אנושיים בצלחות פטרי קיבלו תחילה כוונון גנטי כדי לגרום להם לבטא יותר ביו-חיישן ו-NRF2 מאשר עמיתיהם הטבעיים, בתורם הפכו את התאים המהונדסים למכוונים יותר לרמות ROS.

ואז הגיע עיצוב הדק. כאן, הצוות השתמש במחטי דיקור חשמליות שכבר אושרו על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA). כדי להפעיל את המחטים, הצוות חקר באמצעות סוללות AA, AAA או כפתורים - אלו האחרונות נמצאות בדרך כלל בתוך ציוד לביש - ומדד תצורות סוללה שונות שייצרו מתח מספיק כדי לעורר ROS בתאים המהונדסים.

ניסוי אחד השתמש בחלבון ירוק זוהר בחושך כאינדיקטור. זריקה של התאים עם פרצי חשמל קצרים הוציאה מולקולות ROS. החיישנים הביולוגיים של התא התעצמו, בתורם שיחררו את NRF2, שנצמד למנגנון הגנטי שהתווסף סינתטי המבטא חלבונים ירוקים והפעיל אותו.

הדק החשמלי היה הפיך לחלוטין, כאשר התאים "מתאפסים" למצבים נורמליים ובריאים ויכולים לעמוד במעבר חשמלי נוסף.

"רצינו לשלוט ישירות על ביטוי גנים באמצעות חשמל במשך זמן רב; עכשיו סוף סוף הצלחנו", אמר פוסנגר.

פתרון סוללה לסוכרת?

לאחר מכן, מעודדים, הצוות ניסה להשתמש ב-DART כדי לשלוט בגן האינסולין. אינסולין חיוני לוויסות הסוכר בדם, ורמותיו מופרעות בסוכרת. הקבוצה לא זרה למגרש, בעבר הנדסה תאים מעצבים השואבים אינסולין בתגובה לשינויי מתח.

באמצעות DART, הצוות הנדס גנטית גנים המייצרים אינסולין לתוך תאים אנושיים, שנדלקו רק בנוכחות ROS לאחר גירוי חשמלי. ההגדרה עבדה בצורה מושלמת בצלחות פטרי, כשהתאים משחררים אינסולין לאחר שזרקו בחשמל ולאחר מכן התקלחו ב-ROS.

לאחר מכן, התאים המהונדסים הוכנסו לחומר דמוי ג'לי בעל רישיון קליני והושתלו מתחת לעור על גבם של עכברים עם סוכרת מסוג 1. עכברים אלה אינם יכולים בדרך כלל לייצר אינסולין בעצמם.

בקר ה-DART פשוט יחסית: שתי מחטי דיקור מצופות פלטינה המופעלות על ידי שלוש סוללות AA ומחווטות למתג מתח 12V המכוון לתאים המהונדסים שהושתלו. כשליטה, הצוות גם דקר עכברים עם מחטי דיקור הרחק מהתאים שהושתלו. כל קבוצה נערכה 10 שניות בלבד ביום.

בהשוואה לביקורות, תוך ארבעה שבועות בלבד הטיפול האלקטרוגנטי הראה הבטחה. העכברים יכלו להילחם טוב יותר ברמת הסוכר הנמוכה בדיאטה, ובסופו של דבר הם החזירו את רמות הסוכר הרגילות שלהם. הם גם היו מיומנים בוויסות רמות הסוכר בדם לאחר ארוחה, דבר שקשה לאנשים עם סוכרת ללא שימוש באינסולין. מדדים מטבוליים אחרים השתפרו אף הם.

השלב הבא הוא מציאת דרכים להחליף את הצורך בתאים מהונדסים גנטית המשמשים בשתלים בפתרון ריאלי יותר מבחינה קלינית.

אבל עבור המחברים, DART מייצג מפת דרכים לגישר נוסף בין גופים ביולוגיים לתחום הדיגיטלי. זה צריך להיות פשוט לקשר את בקרות DART למגוון רחב של ביו-פרמצבטיקה בתוך תאים. עם יותר אופטימיזציה, ממשקים אלקטרו-גנטיים אלה "טומנים בחובם הבטחה גדולה למגוון טיפולים עתידיים מבוססי גנים ותאים", אמרו המחברים.

תמונת אשראי: פגי ו מרקו לחמן-אנקה החל מ- pixabay