Onderzoek naar elektrogenetica wijst uit dat we op een dag onze genen kunnen beheersen met wearables

De componenten klinken als de nasleep van een winkel- en spa-retraite: drie AA-batterijen. Twee elektrische acupunctuurnaalden. Eén plastic houder die meestal is bevestigd aan kerstverlichting op batterijen. Maar samen smelten ze samen tot een krachtig stimulatieapparaat dat huishoudbatterijen gebruikt om de genexpressie in cellen te regelen.

Het idee lijkt wild, maar een nieuwe studie in Natuurstofwisseling deze week heeft laten zien dat het kan. Het team, geleid door Dr. Martin Fussenegger van ETH Zürich en de Universiteit van Basel in Zwitserland, ontwikkelde een systeem dat gelijkstroom gebruikt – in de vorm van batterijen of draagbare batterijbanken – om een ​​gen in menselijke cellen in muizen aan te zetten. met een letterlijke omkering van een schakelaar.

Voor alle duidelijkheid, het batterijpakket kan niet reguleren in vivo menselijke genen. Voorlopig werkt het alleen voor in het laboratorium gemaakte genen die in levende cellen zijn ingebracht. Toch heeft de interface al impact gehad. In een proof-of-concept-test implanteerden de wetenschappers genetisch gemanipuleerde menselijke cellen in muizen met diabetes type 1. Deze cellen zijn normaal gesproken stil, maar kunnen insuline uitpompen wanneer ze worden geactiveerd met een elektrische zap.

Het team gebruikte acupunctuurnaalden om de trigger gedurende 10 seconden per dag af te geven, en de bloedsuikerspiegel in de muizen was binnen een maand weer normaal. De knaagdieren herwonnen zelfs het vermogen om de bloedsuikerspiegel onder controle te houden na een grote maaltijd zonder de behoefte aan externe insuline, een normaal gesproken moeilijke prestatie.

Deze interfaces, die 'elektrogenetica' worden genoemd, staan ​​nog in de kinderschoenen. Maar het team is vooral enthousiast over hun potentieel in wearables om therapieën voor metabole en mogelijk andere aandoeningen direct te begeleiden. Omdat de opstelling heel weinig stroom vereist, kunnen drie AA-batterijen meer dan vijf jaar lang een dagelijkse insuline-injectie veroorzaken, zeiden ze.

De studie is de nieuwste om de analoge controles van het lichaam - genexpressie - te verbinden met digitale en programmeerbare software zoals smartphone-apps. Het systeem is "een sprong voorwaarts en vertegenwoordigt de ontbrekende schakel waarmee wearables in de nabije toekomst genen kunnen controleren", aldus het team.

Het probleem met genetische controles

Genexpressie werkt analoog. DNA heeft vier genetische letters (A, T, C en G), die doen denken aan de nullen en enen van een computer. De genetische code kan echter geen leven opbouwen en reguleren, tenzij deze wordt vertaald in eiwitten. Het proces, genexpressie genaamd, rekruteert tientallen biomoleculen, die elk door andere worden gecontroleerd. "Updates" van alle genetische circuits worden aangedreven door evolutie, die werkt op notoir lange tijdschalen. Hoewel krachtig, is het biologie-draaiboek niet bepaald efficiënt.

Voer synthetische biologie in. Het veld assembleert nieuwe genen en maakt gebruik van cellen om complexe circuits te vormen of opnieuw te bedraden met behulp van de logica van machines. Vroege experimenten toonden aan dat synthetische circuits biologische processen kunnen beheersen die normaal gesproken leiden tot kanker, infecties en pijn. Maar om ze te activeren zijn vaak moleculen nodig als trigger - antibiotica, vitamines, voedseladditieven of andere moleculen - om deze systemen in het rijk van analoge biologische computers te houden.

Neurale interfaces hebben de kloof tussen neurale netwerken - een analoog computersysteem - en digitale computers al overbrugd. Kunnen we hetzelfde doen voor synthetische biologie?

Digitale synthetische biologie

De oplossing van het team is DC-aangedreven regeltechnologie of DART.

Hier is hoe de installatie werkt. De kern wordt gevormd door reactieve zuurstofspecies (ROS), vaak bekend als de boosdoener die veroudering en weefselslijtage veroorzaakt. Ons lichaam produceert deze moleculen echter normaal gesproken tijdens het metabolische proces.

Om schade aan de moleculen te minimaliseren, hebben we een natuurlijke eiwit-biosensor om de ROS-niveaus te meten. De biosensor werkt nauw samen met een eiwit genaamd NRF2. Het paar hangt normaal gesproken rond in het kleverige deel van de cel, geïsoleerd van het meeste genetische materiaal. Wanneer ROS-niveaus alarmerend snel stijgen, geeft de sensor NRF2 af, dat zich in de DNA-opslagcontainer van de cel - de kern - nestelt om genen aan te zetten die de ROS-rommel opruimen.

Waarom maakt het uit? NRF2 kan genetisch worden gemanipuleerd om andere genen aan te zetten met behulp van synthetische biologie, legden de auteurs uit. Een lading van vorige werk vertoonde elektriciteit kan cellen ertoe aanzetten om ROS op een veilig niveau voor genetische controle uit te pompen. Met andere woorden, het stimuleren van cellen met elektriciteit zou ROS kunnen vrijgeven, die vervolgens de NRF2 "geheim agent" activeert om elk gen van uw keuze om te zetten.

DART combineert al dit eerdere werk tot een zeer efficiënt, energiezuinig systeem voor elektrische gencontrole. Batterijen zijn de trigger, ROS de boodschapper en NRF2 de genetische "aan" -schakelaar.

Om het systeem te bouwen, kregen menselijke cellen in petrischalen eerst een genetische tune-up om ze meer biosensor en NRF2 te laten uitdrukken dan hun natuurlijke tegenhangers, waardoor de gemanipuleerde cellen beter afgestemd waren op ROS-niveaus.

Toen kwam het ontwerpen van de trigger. Hier gebruikte het team elektrische acupunctuurnaalden die al waren goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA). Om de naalden van stroom te voorzien, onderzocht het team het gebruik van AA-, AAA- of knoopbatterijen - de laatste zitten normaal gesproken in wearables - en mat verschillende batterijconfiguraties die voldoende spanning produceerden om ROS in de gemanipuleerde cellen te stimuleren.

Eén proef gebruikte een glow-in-the-dark groen eiwit als indicator. Door de cellen te zappen met korte uitbarstingen van elektriciteit werden ROS-moleculen uitgepompt. De biosensoren van de cel fleurden op en lieten op hun beurt NRF2 vrij, dat zich vastklampte aan de synthetisch toegevoegde genetische machinerie die groene eiwitten tot expressie brengt en aanzette.

De elektrische trigger was volledig omkeerbaar, waarbij de cellen "resetten" naar normale, gezonde omstandigheden en bestand waren tegen een nieuwe elektrische doorstart.

“We wilden al heel lang de genexpressie rechtstreeks regelen met behulp van elektriciteit; nu is het ons eindelijk gelukt,” zei Fussenegger.

Een batterijoplossing voor diabetes?

Aangemoedigd probeerde het team vervolgens DART te gebruiken om het insulinegen te controleren. Insuline is essentieel voor het reguleren van de bloedsuikerspiegel en de niveaus ervan zijn verstoord bij diabetes. Het team is geen onbekende op het veld, voorheen techniek designercellen die insuline uitpompen als reactie op spanningsveranderingen.

Met behulp van DART heeft het team insuline-producerende genen genetisch gemanipuleerd in menselijke cellen, die alleen na elektrische stimulatie in aanwezigheid van ROS werden ingeschakeld. De opstelling werkte perfect in petrischalen, waarbij de cellen insuline vrijgaven nadat ze met elektriciteit waren gezapt en vervolgens in ROS werden gedoucht.

De gemanipuleerde cellen werden vervolgens ingekapseld in een klinisch goedgekeurde geleiachtige substantie en onder de huid geïmplanteerd op de ruggen van muizen met diabetes type 1. Deze muizen kunnen normaal gesproken zelf geen insuline aanmaken.

De DART-controller is relatief eenvoudig: twee acupunctuurnaalden bedekt met platina, aangedreven door drie AA-batterijen en aangesloten op een 12V-schakelaar die gericht is op de geïmplanteerde gemanipuleerde cellen. Als controle prikte het team ook muizen met acupunctuurnaalden ver weg van de geïmplanteerde cellen. Elke groep werd slechts 10 seconden per dag gezapt.

Vergeleken met de controles bleek de elektrogenetische behandeling in slechts vier weken veelbelovend. De muizen konden een lage bloedsuikerspiegel door een dieet beter bestrijden en uiteindelijk herstelden ze hun normale bloedsuikerspiegel. Ze waren ook bedreven in het reguleren van de bloedsuikerspiegel na een maaltijd, iets dat moeilijk is bij mensen met diabetes zonder insuline. Andere metabole maatregelen verbeterden ook.

De volgende stap is het vinden van manieren om de behoefte aan genetisch gemanipuleerde cellen die in de implantaten worden gebruikt, te vervangen door een meer klinisch levensvatbare oplossing.

Maar voor de auteurs vertegenwoordigt DART een routekaart om biologische lichamen verder te overbruggen naar het digitale rijk. Het zou eenvoudig moeten zijn om DART-controles te koppelen aan een breed scala aan biofarmaceutica in cellen. Met meer optimalisatie zijn deze elektrogenetische interfaces "veelbelovend voor een verscheidenheid aan toekomstige op genen en cellen gebaseerde therapieën", aldus de auteurs.

Krediet van het beeld: Peggy en Marco Lachmann-Anke oppompen van Pixabay

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/