Študija elektrogenetike ugotavlja, da bi lahko nekega dne nadzorovali svoje gene z nosljivimi napravami

The components sound like the aftermath of a shopping and spa retreat: three AA batteries. Two electrical acupuncture needles. One plastic holder that’s usually attached to battery-powered fairy lights. But together they merge into a powerful stimulation device that uses household batteries to control gene expression in cells.

Ideja se zdi divja, a nova študija in Presnova narave ta teden je pokazal, da je to mogoče. Ekipa, ki jo vodi dr. Martin Fussenegger na ETH Zurich in Univerzi v Baslu v Švici, je razvila sistem, ki uporablja enosmerno električno energijo – v obliki baterij ali prenosnih baterijskih bank – za vklop gena v človeških celicah pri miših. z dobesednim pritiskom na stikalo.

Če želite biti jasni, baterija ne more regulirati vivo človeški geni. Za zdaj deluje samo za laboratorijsko izdelane gene, vstavljene v žive celice. Vendar je vmesnik že vplival. V testu za dokaz koncepta so znanstveniki gensko spremenjene človeške celice vsadili v miši s sladkorno boleznijo tipa 1. Te celice so običajno tihe, vendar lahko črpajo inzulin, ko se aktivirajo z električnim udarcem.

Ekipa je uporabila akupunkturne igle za sprožitev 10 sekund na dan in ravni krvnega sladkorja pri miših so se vrnile na normalno v enem mesecu. Glodalci so po obilnem obroku celo ponovno pridobili sposobnost uravnavanja ravni krvnega sladkorja brez potrebe po zunanjem inzulinu, kar je običajno težak podvig.

Ti vmesniki, imenovani "elektrogenetika", so še vedno v povojih. Toda ekipa je še posebej navdušena nad njihovim potencialom v nosljivih izdelkih za neposredno usmerjanje terapevtskih ukrepov za presnovne in potencialno druge motnje. Ker nastavitev zahteva zelo malo energije, lahko tri baterije AA sprožijo dnevno injiciranje insulina več kot pet let, so povedali.

Študija je zadnja, ki povezuje analogne kontrole telesa – izražanje genov – z digitalno in programabilno programsko opremo, kot so aplikacije za pametne telefone. Sistem je "skok naprej in predstavlja manjkajoči člen, ki bo nosljivim napravam omogočil nadzor nad geni v ne tako oddaljeni prihodnosti," je dejala ekipa.

Težave z genetskim nadzorom

Izražanje genov deluje analogno. DNK ima štiri genetske črke (A, T, C in G), ki spominjajo na računalniške 0 in 1. Vendar pa genetska koda ne more zgraditi in uravnavati življenja, če ni prevedena v beljakovine. Proces, imenovan izražanje genov, rekrutira na desetine biomolekul, od katerih vsako nadzorujejo drugi. »Posodobitve« vseh genetskih vezij poganja evolucija, ki deluje na notorično dolgih časovnih lestvicah. Čeprav je biološki priročnik močan, ni ravno učinkovit.

Vstopite v sintetično biologijo. Polje sestavlja nove gene in se vtika v celice, da oblikuje ali ponovno poveže kompleksna vezja z uporabo logike strojev. Zgodnji poskusi so pokazali, da lahko sintetična vezja nadzorujejo biološke procese, ki običajno povzročajo raka, okužbe in bolečine. Toda za njihovo aktiviranje so pogosto potrebne molekule kot sprožilec – antibiotiki, vitamini, aditivi za živila ali druge molekule – ki ohranjajo te sisteme v kraljestvu analognega biološkega računalništva.

Nevronski vmesniki so že premostili ločnico med nevronskimi mrežami – analognim računalniškim sistemom – in digitalnimi računalniki. Lahko storimo enako za sintezno biologijo?

Digitalna sintetična biologija

Rešitev ekipe je regulacijska tehnologija z enosmernim tokom ali DART.

Takole deluje nastavitev. V jedru so reaktivne kisikove vrste (ROS), pogosto znane kot zlobneži, ki poganjajo staranje in obrabo tkiv. Vendar naša telesa običajno proizvajajo te molekule med presnovnim procesom.

Da bi zmanjšali škodo na molekulah, imamo naravni proteinski biosenzor za merjenje ravni ROS. Biosenzor tesno sodeluje z beljakovino, imenovano NRF2. Par se običajno druži v gobastem delu celice, izoliranem od večine genskega materiala. Ko ravni ROS narastejo do zaskrbljujoče stopnje, senzor sprosti NRF2, ki vodi v celični vsebnik za shranjevanje DNK – jedro –, da vklopi gene, ki čistijo nered ROS.

Zakaj je pomembno? NRF2 je mogoče z genskim inženiringom vklopiti druge gene z uporabo sintetične biologije, so pojasnili avtorji. Tovor prejšnjih delo je pokazala, elektrika lahko sproži celice, da črpajo ROS na varni ravni za genetski nadzor. Z drugimi besedami, stimulacija celic z elektriko bi lahko sprostila ROS, ki nato aktivira "tajnega agenta" NRF2, da vključi kateri koli gen po vaši izbiri.

DART združuje vse to prejšnje delo v zelo učinkovit, nizkoenergijski sistem za nadzor električnih genov. Baterije so sprožilec, ROS glasnik in NRF2 genetsko stikalo za vklop.

Za izgradnjo sistema so bile človeške celice v petrijevkah najprej genetsko prilagojene, da so izražale več biosenzorja in NRF2 kot njihovi naravni primerki, s čimer so se inženirske celice bolj prilagodile ravni ROS.

Nato je sledilo oblikovanje sprožilca. Tu je ekipa uporabila električne akupunkturne igle, ki jih je že odobrila ameriška agencija za hrano in zdravila (FDA). Za napajanje igel je ekipa raziskovala uporabo baterij AA, AAA ali gumbastih baterij – slednje so običajno v nosljivih napravah – in izmerila različne konfiguracije baterij, ki so proizvedle zadostno napetost za spodbujanje ROS v izdelanih celicah.

V enem poskusu so kot indikator uporabili beljakovino, ki se sveti v temno zeleni barvi. Zapiranje celic s kratkimi izbruhi električne energije je izčrpalo molekule ROS. Biosenzorji celice so se poživili in sproščali NRF2, ki se je zataknil za sintetično dodane genetske stroje, ki izražajo zelene beljakovine, in jih vključil.

Električni sprožilec je bil popolnoma reverzibilen, s celicami, ki so se "ponastavile" v normalne, zdrave razmere in so bile sposobne prenesti še en električni udar.

»Že dolgo časa smo želeli neposredno nadzorovati izražanje genov z uporabo električne energije; zdaj nam je končno uspelo,« je dejal Fussenegger.

Baterija za sladkorno bolezen?

Opogumljena ekipa je nato poskusila uporabiti DART za nadzor insulinskega gena. Insulin je nujen za uravnavanje krvnega sladkorja, njegova raven pa je pri sladkorni bolezni motena. Ekipa ni tujec na igrišču, prej inženiring oblikovalske celice, ki črpajo inzulin kot odgovor na spremembe napetosti.

Z uporabo DART je ekipa genetsko spremenila gene, ki proizvajajo inzulin, v človeške celice, ki so se vklopile le v prisotnosti ROS po električni stimulaciji. Namestitev je odlično delovala v petrijevkah, pri čemer so celice sproščale inzulin, potem ko so bile zaprte z elektriko in nato prhane z ROS.

Ustvarjene celice so nato inkapsulirali v klinično odobreno želeju podobno snov in jih vsadili pod kožo na hrbet miši s sladkorno boleznijo tipa 1. Te miši običajno ne morejo same proizvajati insulina.

Krmilnik DART je razmeroma preprost: dve akupunkturni igli, prevlečeni s platino, napajata ju tri baterije AA in povezani z 12-voltnim stikalom za napajanje, ki cilja na implantirane celice. Kot kontrolo je ekipa tudi zbadala miši z akupunkturnimi iglami daleč stran od implantiranih celic. Vsaka skupina je bila zapirana le 10 sekund na dan.

V primerjavi s kontrolno skupino je v samo štirih tednih elektrogenetsko zdravljenje obetalo. Miši so se lahko bolje borile proti nizkemu krvnemu sladkorju zaradi diete in sčasoma so obnovile normalno raven krvnega sladkorja. Prav tako so bili spretni pri uravnavanju ravni krvnega sladkorja po obroku, kar je težko pri ljudeh s sladkorno boleznijo brez uporabe insulina. Izboljšali so se tudi drugi presnovni ukrepi.

Naslednji korak je iskanje načinov za nadomestitev potrebe po gensko spremenjenih celicah, ki se uporabljajo v vsadkih, s klinično bolj izvedljivo rešitvijo.

Toda avtorjem DART predstavlja načrt za nadaljnjo premostitev bioloških teles v digitalno kraljestvo. Povezava kontrol DART s širokim naborom biofarmacevtskih izdelkov v celicah bi morala biti preprosta. Z večjo optimizacijo ti elektrogenetski vmesniki "veliko obetajo za različne prihodnje genske in celične terapije," so povedali avtorji.

Kreditno slike: Peggy in Marco Lachmann-Anke iz pixabay

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/