Un studiu de electrogenetică arată că într-o zi ne-am putea controla genele cu purtabile

Componentele sună ca urmarea unei retrageri de cumpărături și spa: trei baterii AA. Două ace electrice de acupunctură. Un suport din plastic care este de obicei atașat de lumini alimentate cu baterii. Dar împreună se contopesc într-un dispozitiv puternic de stimulare care utilizează baterii de uz casnic pentru a controla expresia genelor în celule.

Ideea pare sălbatică, dar un nou studiu in Natură Metabolism saptamana aceasta a aratat ca este posibil. Echipa, condusă de dr. Martin Fussenegger de la ETH Zurich și de la Universitatea Basel din Elveția, a dezvoltat un sistem care utilizează electricitate în curent continuu – sub formă de baterii sau bănci portabile de baterii – pentru a activa o genă în celulele umane la șoareci. cu o apăsare literală a unui comutator.

Pentru a fi clar, acumulatorul nu poate regla in vivo genele umane. Deocamdată, funcționează doar pentru genele create de laborator introduse în celulele vii. Cu toate acestea, interfața a avut deja un impact. Într-un test de dovadă a conceptului, oamenii de știință au implantat celule umane modificate genetic în șoareci cu diabet de tip 1. Aceste celule sunt în mod normal silențioase, dar pot pompa insulina atunci când sunt activate cu un zapaj electric.

Echipa a folosit ace de acupunctură pentru a furniza declanșatorul timp de 10 secunde pe zi, iar nivelurile de zahăr din sânge la șoareci au revenit la normal în decurs de o lună. Rozătoarele și-au recăpătat chiar și capacitatea de a gestiona nivelul zahărului din sânge după o masă copioasă, fără a fi nevoie de insulină externă, o performanță în mod normal dificilă.

Denumite „electrogenetică”, aceste interfețe sunt încă la început. Dar echipa este deosebit de încântată de potențialul lor în purtabile de a ghida în mod direct terapiile pentru tulburări metabolice și potențial alte tulburări. Deoarece configurația necesită foarte puțină energie, trei baterii AA ar putea declanșa o injecție zilnică de insulină pentru mai mult de cinci ani, au spus ei.

Studiul este cel mai recent care conectează comenzile analogice ale corpului — expresia genelor — cu software digital și programabil, cum ar fi aplicațiile pentru smartphone. Sistemul este „un salt înainte, reprezentând veriga lipsă care va permite dispozitivelor purtabile să controleze genele într-un viitor nu atât de îndepărtat”, a spus echipa.

Problema cu controalele genetice

Expresia genelor operează în mod analog. ADN-ul are patru litere genetice (A, T, C și G), care amintesc de 0-urile și 1-urile unui computer. Cu toate acestea, codul genetic nu poate construi și regla viața decât dacă este tradus în proteine. Procesul, numit expresie genetică, recrutează zeci de biomolecule, fiecare dintre acestea fiind controlată de altele. „Actualizările” oricăror circuite genetice sunt determinate de evoluție, care funcționează pe o scară de timp notoriu de lungă. Deși este puternic, manualul de biologie nu este tocmai eficient.

Intră în biologia sintetică. Câmpul adună noi gene și atinge celule pentru a forma sau a reconecta circuite complexe folosind logica mașinilor. Experimentele timpurii au arătat că circuitele sintetice pot controla procesele biologice care duc în mod normal la cancer, infecții și durere. Dar activarea lor necesită adesea molecule ca declanșator - antibiotice, vitamine, aditivi alimentari sau alte molecule - menținând aceste sisteme în domeniul calculului biologic analogic.

Interfețele neuronale au făcut deja o punte între rețelele neuronale – un sistem de calcul analogic – și calculatoarele digitale. Putem face același lucru pentru biologia sintetică?

Biologie digitală sintetică

Soluția echipei este tehnologia de reglare acţionată de curent continuu sau DART.

Iată cum funcționează configurarea. La bază se află speciile reactive de oxigen (ROS), adesea cunoscute sub numele de răufăcător care provoacă îmbătrânirea și uzura țesuturilor. Cu toate acestea, corpurile noastre produc în mod normal aceste molecule în timpul procesului metabolic.

Pentru a minimiza deteriorarea moleculelor, avem un biosenzor natural pentru proteine ​​pentru a măsura nivelurile de ROS. Biosenzorul lucrează îndeaproape cu o proteină numită NRF2. În mod normal, cuplul se întâlnește în partea glumei a celulei, izolată de majoritatea materialului genetic. Când nivelurile de ROS cresc la o rată alarmantă, senzorul eliberează NRF2, care pătrunde în containerul de stocare a ADN-ului celulei - nucleul - pentru a activa genele care curăță mizeria ROS.

De ce conteaza? NRF2 poate fi modificat genetic pentru a activa alte gene folosind biologia sintetică, au explicat autorii. O incarcare de anterioare muncă a arătat electricitate poate declanșa celulele să pompeze ROS la un nivel sigur pentru control genetic. Cu alte cuvinte, stimularea celulelor cu electricitate ar putea elibera ROS, care apoi activează „agentul secret” NRF2 pentru a activa orice genă la alegere.

DART combină toate aceste lucrări anterioare într-un sistem extrem de eficient, cu energie scăzută pentru controlul electric al genelor. Bateriile sunt declanșatorul, ROS mesagerul și NRF2 comutatorul genetic „pornit”.

Pentru a construi sistemul, celulele umane din vasele Petri au primit mai întâi o ajustare genetică pentru a le face să exprime mai mult biosenzor și NRF2 decât omologii lor naturali, făcând, la rândul lor, celulele proiectate mai adaptate la nivelurile ROS.

Apoi a venit proiectarea declanșatorului. Aici, echipa a folosit ace electrice de acupunctură deja aprobate de Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente (FDA). Pentru a alimenta acele, echipa a explorat folosind baterii AA, AAA sau buton - acestea din urmă sunt în mod normal în interiorul obiectelor purtate - și a măsurat diferite configurații de baterie care au produs o tensiune suficientă pentru a stimula ROS în celulele proiectate.

Un studiu a folosit ca indicator o proteină verde care strălucește în întuneric. Zapping celulele cu explozii scurte de electricitate pompat molecule ROS. Biosenzorii celulei s-au animat, la rândul lor eliberând NRF2, care s-a prins la mașina genetică adăugată sintetic care exprimă proteinele verzi și l-a pornit.

Declanșatorul electric a fost complet reversibil, celulele „resetându-se” în condiții normale, sănătoase și capabile să reziste la o altă schimbare electrică.

„Ne-am dorit de mult timp să controlăm direct expresia genelor folosind electricitate; acum am reușit în sfârșit” a spus Fussenegger.

O soluție de baterie pentru diabet?

Încurajată, echipa a încercat apoi să folosească DART pentru a controla gena insulinei. Insulina este esențială pentru reglarea zahărului din sânge, iar nivelurile acesteia sunt perturbate în diabet. Echipa nu este străină de teren, anterior de inginerie celule de proiectare care pompează insulina ca răspuns la schimbările de tensiune.

Folosind DART, echipa a modificat genetic genele producătoare de insulină în celulele umane, care s-au pornit numai în prezența ROS după stimularea electrică. Configurația a funcționat perfect în cutiile Petri, celulele eliberând insulină după ce au fost supuse energiei electrice și ulterior au fost introduse în ROS.

Celulele modificate au fost apoi încapsulate într-o substanță asemănătoare jeleului autorizată clinic și implantate sub piele pe spatele șoarecilor cu diabet de tip 1. Acești șoareci nu pot produce în mod normal insulină singuri.

Controlerul DART este relativ simplu: două ace de acupunctură acoperite cu platină alimentate de trei baterii AA și conectate la un comutator de alimentare de 12 V care vizează celulele proiectate implantate. Ca control, echipa a înțepat și șoarecii cu ace de acupunctură departe de celulele implantate. Fiecare grup a fost zappat doar 10 secunde pe zi.

În comparație cu martorii, în doar patru săptămâni tratamentul electrogenetic s-a arătat promițător. Șoarecii au putut lupta mai bine cu glicemia scăzută din dietă și, în cele din urmă, și-au restabilit nivelul normal de zahăr din sânge. Au fost, de asemenea, adepți în reglarea nivelului de zahăr din sânge după masă, lucru care este dificil la persoanele cu diabet fără a utiliza insulină. S-au îmbunătățit și alte măsuri metabolice.

Următorul pas este găsirea modalităților de a înlocui nevoia de celule modificate genetic utilizate în implanturi cu o soluție mai viabilă clinic.

Însă pentru autori, DART reprezintă o foaie de parcurs pentru a lega în continuare corpurile biologice la tărâmul digital. Ar trebui să fie simplu să legați controalele DART la o gamă largă de produse biofarmaceutice din interiorul celulelor. Cu mai multă optimizare, aceste interfețe electrogenetice „sunt foarte promițătoare pentru o varietate de terapii viitoare bazate pe gene și celule”, au spus autorii.

Credit imagine: Peggy și Marco Lachmann-Anke din Pixabay

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/