Elektrogenetikkstudie finner at vi en dag kan kontrollere genene våre med wearables

Elektrogenetikkstudie finner at vi en dag kan kontrollere genene våre med wearables

Tidsstempel: 4. august 2023 kl.10: 00
Elektrogenetikkstudie finner at vi en dag kan kontrollere genene våre med PlatoBlockchain-dataintelligens for bærbare enheter. Vertikalt søk. Ai.

Komponentene høres ut som kjølvannet av en shopping- og spa-retrett: tre AA-batterier. To elektriske akupunkturnåler. Én plastholder som vanligvis festes til batteridrevne eventyrlys. Men sammen smelter de sammen til en kraftig stimuleringsenhet som bruker husholdningsbatterier til å kontrollere genuttrykk i celler.

Ideen virker vill, men en ny studie in Naturmetabolisme denne uken viste at det er mulig. Teamet, ledet av Dr. Martin Fussenegger ved ETH Zürich og Universitetet i Basel i Sveits, utviklet et system som bruker likestrøm – i form av batterier eller bærbare batteribanker – for å slå på et gen i menneskeceller i mus med en bokstavelig vri på en bryter.

For å være tydelig, kan ikke batteripakken regulere in vivo menneskelige gener. Foreløpig fungerer det bare for lab-lagde gener satt inn i levende celler. Likevel har grensesnittet allerede hatt en innvirkning. I en proof-of-concept-test implanterte forskerne genetisk konstruerte menneskelige celler i mus med type 1-diabetes. Disse cellene er normalt stille, men kan pumpe ut insulin når de aktiveres med en elektrisk zap.

Teamet brukte akupunkturnåler for å levere utløseren i 10 sekunder om dagen, og blodsukkernivået i musene gikk tilbake til det normale innen en måned. Gnagerne fikk til og med tilbake evnen til å kontrollere blodsukkernivået etter et stort måltid uten behov for eksternt insulin, en normalt vanskelig bragd.

Kalt "elektrogenetikk", disse grensesnittene er fortsatt i sin spede begynnelse. Men teamet er spesielt begeistret for deres potensiale i wearables for å direkte veilede terapi for metabolske og potensielt andre lidelser. Fordi oppsettet krever svært lite strøm, kan tre AA-batterier utløse en daglig insulinsprøyte i mer enn fem år, sa de.

Studien er den siste som kobler kroppens analoge kontroller – genuttrykk – med digital og programmerbar programvare som smarttelefonapper. Systemet er "et sprang fremover, og representerer den manglende lenken som vil gjøre det mulig for bærbare enheter å kontrollere gener i en ikke så fjern fremtid," sa teamet.

Problemet med genetiske kontroller

Genuttrykk fungerer analogt. DNA har fire genetiske bokstaver (A, T, C og G), som minner om en datamaskins 0-er og 1-er. Imidlertid kan den genetiske koden ikke bygge og regulere liv med mindre den er oversatt til proteiner. Prosessen, kalt genuttrykk, rekrutterer dusinvis av biomolekyler, som hver kontrolleres av andre. "Oppdateringer" til alle genetiske kretsløp er drevet av evolusjon, som fungerer på notorisk lange tidsskalaer. Selv om den er kraftig, er den ikke akkurat effektiv.

Gå inn i syntetisk biologi. Feltet setter sammen nye gener og kobler inn i celler for å danne eller omkoble komplekse kretsløp ved hjelp av maskiners logikk. Tidlige eksperimenter viste at syntetiske kretsløp kan kontrollere biologiske prosesser som normalt resulterer i kreft, infeksjoner og smerte. Men aktivering av dem krever ofte molekyler som utløser - antibiotika, vitaminer, mattilsetningsstoffer eller andre molekyler - holder disse systemene i riket av analog biologisk databehandling.

Nevrale grensesnitt har allerede bygget bro over skillet mellom nevrale nettverk – et analogt datasystem – og digitale datamaskiner. Kan vi gjøre det samme for syntetisk biologi?

Digital syntetisk biologi

Teamets løsning er DC-aktivert reguleringsteknologi, eller DART.

Her er hvordan oppsettet fungerer. I kjernen er reaktive oksygenarter (ROS), ofte kjent som skurken som driver aldring og vevsslitasje. Imidlertid produserer kroppene våre normalt disse molekylene under den metabolske prosessen.

For å minimere skade på molekylene har vi en naturlig proteinbiosensor for å måle ROS-nivåer. Biosensoren jobber tett med et protein kalt NRF2. Paret henger normalt i den goopy-delen av cellen, isolert fra det meste av genetisk materiale. Når ROS-nivåene stiger til en alarmerende hastighet, frigjør sensoren NRF2, som går inn i cellens DNA-lagringsbeholder – kjernen – for å slå på gener som rydder opp i ROS-rotet.

Hvorfor spiller det noen rolle? NRF2 kan være genetisk konstruert for å slå på andre gener ved hjelp av syntetisk biologi, forklarte forfatterne. Mye av forrige arbeid viste elektrisitet kan trigge celler til å pumpe ut ROS på et trygt nivå for genetisk kontroll. Med andre ord, stimulerende celler med elektrisitet kan frigjøre ROS, som deretter aktiverer NRF2 "hemmelige agent" for å snu et hvilket som helst gen du ønsker.

DART kombinerer alt dette tidligere arbeidet til et svært effektivt lavenergisystem for elektrisk genkontroll. Batterier er utløseren, ROS er budbringeren og NRF2 den genetiske "på"-bryteren.

For å bygge systemet fikk menneskelige celler i petriskåler først en genetisk justering for å få dem til å uttrykke mer biosensor og NRF2 enn deres naturlige motstykker, noe som igjen gjorde de konstruerte cellene mer tilpasset ROS-nivåer.

Så kom designen av utløseren. Her brukte teamet elektriske akupunkturnåler som allerede er godkjent av US Food and Drug Administration (FDA). For å drive nålene utforsket teamet ved hjelp av AA-, AAA- eller knappbatterier - de sistnevnte er vanligvis inne i bærbare enheter - og målte forskjellige batterikonfigurasjoner som produserte en tilstrekkelig spenning til å stimulere ROS i de konstruerte cellene.

En test brukte et glød-i-mørke-grønt protein som en indikator. Zapping av cellene med korte støt av elektrisitet pumpet ut ROS-molekyler. Cellens biosensorer pigget opp, og frigjorde i sin tur NRF2, som festet seg til det syntetiske genetiske maskineriet som uttrykker grønne proteiner og slått den på.

Den elektriske utløseren var fullt reversibel, med cellene "tilbakestilt" til normale, sunne forhold og i stand til å motstå en annen elektrisk omveltning.

«Vi har lenge ønsket å kontrollere genuttrykk direkte ved hjelp av elektrisitet; nå har vi endelig lyktes» sa Fussenegger.

En batteriløsning for diabetes?

Oppmuntret prøvde teamet deretter å bruke DART for å kontrollere insulingenet. Insulin er avgjørende for å regulere blodsukkeret, og nivåene forstyrres ved diabetes. Laget er ikke fremmed på banen, tidligere ingeniør designerceller som pumper ut insulin som svar på spenningsendringer.

Ved hjelp av DART manipulerte teamet insulinproduserende gener til menneskelige celler, som bare ble slått på i nærvær av ROS etter elektrisk stimulering. Oppsettet fungerte perfekt i petriskåler, med cellene som frigjorde insulin etter å ha blitt zappet med strøm og deretter dusjet i ROS.

De konstruerte cellene ble deretter innkapslet i en klinisk lisensiert gelélignende substans og implantert under huden på ryggen til mus med type 1 diabetes. Disse musene kan normalt ikke produsere insulin på egen hånd.

DART-kontrolleren er relativt enkel: to akupunkturnåler belagt med platina drevet av tre AA-batterier og koblet til en 12V strømbryter som retter seg mot de implanterte konstruerte cellene. Som en kontroll prikket teamet også mus med akupunkturnåler langt unna de implanterte cellene. Hver gruppe ble zappet i bare 10 sekunder om dagen.

Sammenlignet med kontrollene viste den elektrogenetiske behandlingen lovende på bare fire uker. Musene kunne bedre kjempe mot lavt blodsukker fra slanking, og til slutt gjenopprettet de sitt normale blodsukkernivå. De var også flinke til å regulere blodsukkernivået etter et måltid, noe som er vanskelig for personer med diabetes uten å bruke insulin. Andre metabolske tiltak ble også bedre.

Det neste trinnet er å finne måter å erstatte behovet for genetisk konstruerte celler brukt i implantatene med en mer klinisk levedyktig løsning.

Men for forfatterne representerer DART et veikart for å bygge bro over biologiske kropper til det digitale riket. Det bør være enkelt å koble DART-kontroller til et bredt spekter av biofarmasøytiske midler inne i cellene. Med mer optimering gir disse elektrogenetiske grensesnittene "stor løfte for en rekke fremtidige gen- og cellebaserte terapier," sa forfatterne.

Bilde Credit: Peggy og Marco Lachmann-Anke fra Pixabay

Tidstempel:

Mer fra Singularity Hub