Badanie elektrogenetyczne wykazało, że pewnego dnia moglibyśmy kontrolować nasze geny za pomocą urządzeń do noszenia

Elementy brzmią jak następstwo zakupów i wypoczynku w spa: trzy baterie AA. Dwie elektryczne igły do ​​​​akupunktury. Jeden plastikowy uchwyt, który zwykle mocuje się do lampek na baterie. Ale razem łączą się w potężne urządzenie stymulujące, które wykorzystuje domowe baterie do kontrolowania ekspresji genów w komórkach.

Pomysł wydaje się szalony, ale nowe badanie in Metabolizm przyrody ten tydzień pokazał, że jest to możliwe. Zespół kierowany przez dr Martina Fusseneggera z ETH Zurich i Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii opracował system, który wykorzystuje prąd stały – w postaci baterii lub przenośnych baterii akumulatorów – do włączenia genu w ludzkich komórkach myszy z dosłownym pstryknięciem przełącznika.

Żeby było jasne, akumulator nie może regulować in vivo ludzkie geny. Na razie działa to tylko w przypadku genów wytworzonych w laboratorium, wprowadzonych do żywych komórek. Jednak interfejs już wywarł wpływ. W teście sprawdzającym słuszność koncepcji naukowcy wszczepili genetycznie zmodyfikowane ludzkie komórki myszom z cukrzycą typu 1. Komórki te są zwykle ciche, ale mogą wypompować insulinę, gdy zostaną aktywowane za pomocą impulsu elektrycznego.

Zespół używał igieł do akupunktury, aby dostarczać spust przez 10 sekund dziennie, a poziom cukru we krwi u myszy wrócił do normy w ciągu miesiąca. Gryzonie odzyskały nawet zdolność kontrolowania poziomu cukru we krwi po obfitym posiłku bez potrzeby podawania insuliny z zewnątrz, co zwykle jest trudnym zadaniem.

Nazywane „elektrogenetyką”, interfejsy te są wciąż w powijakach. Ale zespół jest szczególnie podekscytowany ich potencjałem w urządzeniach do noszenia, aby bezpośrednio kierować terapeutycznymi zaburzeniami metabolicznymi i potencjalnie innymi. Ponieważ konfiguracja wymaga bardzo małej mocy, trzy baterie AA mogą wyzwalać codzienny zastrzyk insuliny przez ponad pięć lat, powiedzieli.

Badanie jest najnowszym połączeniem analogowych elementów sterujących organizmu – ekspresji genów – z cyfrowym i programowalnym oprogramowaniem, takim jak aplikacje na smartfony. System jest „skokiem naprzód, reprezentującym brakujące ogniwo, które umożliwi urządzeniom do noszenia kontrolowanie genów w nie tak odległej przyszłości” – powiedział zespół.

Kłopoty z kontrolą genetyczną

Ekspresja genów działa analogowo. DNA ma cztery litery genetyczne (A, T, C i G), które przypominają komputerowe cyfry 0 i 1. Jednak kod genetyczny nie może budować i regulować życia, chyba że zostanie przetłumaczony na białka. Proces, zwany ekspresją genów, rekrutuje dziesiątki biomolekuł, z których każda jest kontrolowana przez inne. „Aktualizacje” dowolnych obwodów genetycznych są napędzane przez ewolucję, która działa w notorycznie długich skalach czasowych. Podręcznik biologii, choć potężny, nie jest dokładnie wydajny.

Wejdź na biologię syntetyczną. Ta dziedzina gromadzi nowe geny i łączy się z komórkami, aby tworzyć lub przebudowywać złożone obwody przy użyciu logiki maszyn. Wczesne eksperymenty wykazały, że obwody syntetyczne mogą kontrolować procesy biologiczne, które zwykle powodują raka, infekcje i ból. Ale ich aktywacja często wymaga cząsteczek jako wyzwalacza - antybiotyków, witamin, dodatków do żywności lub innych cząsteczek - utrzymujących te systemy w sferze analogowych obliczeń biologicznych.

Interfejsy neuronowe już wypełniły przepaść między sieciami neuronowymi — analogowym systemem komputerowym — a komputerami cyfrowymi. Czy możemy zrobić to samo z biologią syntetyczną?

Cyfrowa biologia syntetyczna

Rozwiązaniem zespołu jest technologia regulacji uruchamiana prądem stałym lub DART.

Oto jak działa konfiguracja. Rdzeniem są reaktywne formy tlenu (ROS), często znane jako złoczyńca, który napędza starzenie się i zużycie tkanek. Jednak nasze ciała zwykle wytwarzają te cząsteczki podczas procesu metabolicznego.

Aby zminimalizować uszkodzenia cząsteczek, mamy bioczujnik naturalnego białka do pomiaru poziomu ROS. Biosensor ściśle współpracuje z białkiem o nazwie NRF2. Para zwykle przebywa w lepkiej części komórki, odizolowanej od większości materiału genetycznego. Kiedy poziom ROS wzrasta do alarmującego poziomu, czujnik uwalnia NRF2, który tuneluje do pojemnika do przechowywania DNA komórki – jądra – aby włączyć geny oczyszczające bałagan ROS.

Dlaczego to ma znaczenie? NRF2 można zmodyfikować genetycznie, aby włączyć inne geny przy użyciu biologii syntetycznej, wyjaśnili autorzy. Ładunek z poprzedniego praca pokazał elektryczność może wywołać komórki do wypompowania RFT na bezpiecznym poziomie dla kontroli genetycznej. Innymi słowy, stymulowanie komórek elektrycznością może uwolnić ROS, które następnie aktywują „tajnego agenta” NRF2, aby włączyć dowolny wybrany gen.

DART łączy wszystkie te wcześniejsze prace w wysoce wydajny, niskoenergetyczny system do elektrycznej kontroli genów. Baterie są wyzwalaczem, ROS przekaźnikiem, a NRF2 genetycznym włącznikiem.

Aby zbudować system, ludzkie komórki na szalkach Petriego zostały najpierw dostrojone genetycznie, aby wyrażały więcej bioczujników i NRF2 niż ich naturalne odpowiedniki, co z kolei sprawia, że ​​zmodyfikowane komórki są lepiej dostrojone do poziomów ROS.

Potem przyszedł czas na zaprojektowanie spustu. W tym przypadku zespół użył elektrycznych igieł do akupunktury, które zostały już zatwierdzone przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA). Aby zasilić igły, zespół zbadał użycie baterii AA, AAA lub guzikowych – te ostatnie zwykle znajdują się w urządzeniach do noszenia – i zmierzył różne konfiguracje baterii, które wytwarzały napięcie wystarczające do stymulacji ROS w zmodyfikowanych komórkach.

W jednym badaniu jako wskaźnik wykorzystano świecące w ciemności zielone białko. Porażenie komórek krótkimi impulsami elektrycznymi wypompowało cząsteczki ROS. Biosensory komórki ożywiły się, z kolei uwalniając NRF2, który przyczepił się do syntetycznie dodanej maszynerii genetycznej, która wyraża zielone białka i włączył ją.

Wyzwalacz elektryczny był w pełni odwracalny, a komórki „resetowały się” do normalnych, zdrowych warunków i były w stanie wytrzymać kolejne elektryczne odejście na drugi krąg.

„Od dawna chcieliśmy bezpośrednio kontrolować ekspresję genów za pomocą energii elektrycznej; teraz w końcu nam się udało” powiedziany Fusseneggera.

Bateryjne rozwiązanie dla cukrzycy?

Zachęcony zespół następnie spróbował użyć DART do kontrolowania genu insuliny. Insulina jest niezbędna do regulacji poziomu cukru we krwi, a jej poziom jest zaburzony w cukrzycy. Zespół nie jest obcy na boisku, wcześniej inż komórki projektantów, które pompują insulinę w odpowiedzi na zmiany napięcia.

Korzystając z DART, zespół genetycznie zmodyfikował geny produkujące insulinę w ludzkich komórkach, które włączały się tylko w obecności RFT po stymulacji elektrycznej. Konfiguracja działała doskonale na szalkach Petriego, a komórki uwalniały insulinę po tym, jak zostały pobudzone elektrycznością, a następnie zostały oblane ROS.

Zmodyfikowane komórki zostały następnie zamknięte w klinicznie licencjonowanej galaretowatej substancji i wszczepione pod skórę na grzbiecie myszy z cukrzycą typu 1. Myszy te normalnie nie mogą samodzielnie wytwarzać insuliny.

Kontroler DART jest stosunkowo prosty: dwie igły akupunkturowe pokryte platyną zasilane trzema bateriami AA i podłączone do wyłącznika zasilania 12 V, który celuje w wszczepione komórki. Jako kontrolę zespół nakłuwał również myszy igłami do akupunktury z dala od wszczepionych komórek. Każda grupa była atakowana przez zaledwie 10 sekund dziennie.

W porównaniu z grupą kontrolną, w ciągu zaledwie czterech tygodni leczenie elektrogenetyczne okazało się obiecujące. Myszy mogły lepiej walczyć z niskim poziomem cukru we krwi spowodowanym dietą i ostatecznie przywróciły normalny poziom cukru we krwi. Byli również biegli w regulowaniu poziomu cukru we krwi po posiłku, co jest trudne u osób z cukrzycą bez użycia insuliny. Poprawiły się również inne parametry metaboliczne.

Następnym krokiem jest znalezienie sposobów na zastąpienie genetycznie zmodyfikowanych komórek stosowanych w implantach bardziej klinicznie opłacalnym rozwiązaniem.

Ale dla autorów DART stanowi mapę drogową dalszego łączenia ciał biologicznych z królestwem cyfrowym. Powiązanie kontroli DART z szeroką gamą biofarmaceutyków wewnątrz komórek powinno być proste. Dzięki większej optymalizacji te interfejsy elektrogenetyczne „są bardzo obiecujące dla różnych przyszłych terapii opartych na genach i komórkach” – powiedzieli autorzy.

Kredytowych Image: Peggy i Marco Lachmann-Anke od Pixabay

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/