Elektrogenetikstudie visar att vi en dag skulle kunna kontrollera våra gener med wearables

Komponenterna låter som efterdyningarna av ett shopping- och sparesor: tre AA-batterier. Två elektriska akupunkturnålar. En plasthållare som vanligtvis fästs på batteridrivna fairy lights. Men tillsammans smälter de samman till en kraftfull stimuleringsenhet som använder hushållsbatterier för att kontrollera genuttryck i celler.

Tanken verkar vild, men en ny studie in Naturmetabolism den här veckan visade att det är möjligt. Teamet, ledd av Dr. Martin Fussenegger vid ETH Zürich och University of Basel i Schweiz, utvecklade ett system som använder likströmselektricitet – i form av batterier eller bärbara batteribanker – för att slå på en gen i mänskliga celler i möss med en bokstavlig vridning av en strömbrytare.

För att vara tydlig, kan batteripaketet inte reglera in vivo- mänskliga gener. För närvarande fungerar det bara för labbgjorda gener som infogas i levande celler. Ändå har gränssnittet redan haft en inverkan. I ett proof-of-concept-test implanterade forskarna genetiskt modifierade mänskliga celler i möss med typ 1-diabetes. Dessa celler är normalt tysta, men kan pumpa ut insulin när de aktiveras med en elektrisk zap.

Teamet använde akupunkturnålar för att ge utlösaren i 10 sekunder om dagen, och blodsockernivåerna i mössen återgick till det normala inom en månad. Gnagarna återfick till och med förmågan att hantera blodsockernivåerna efter en stor måltid utan behov av externt insulin, en normalt svår bedrift.

Kallas "elektrogenetik", dessa gränssnitt är fortfarande i sin linda. Men teamet är särskilt entusiastiska över deras potential i wearables att direkt vägleda terapi för metabola och potentiellt andra störningar. Eftersom installationen kräver väldigt lite ström, kan tre AA-batterier utlösa en daglig insulinspruta i mer än fem år, sa de.

Studien är den senaste som kopplar ihop kroppens analoga kontroller – genuttryck – med digital och programmerbar programvara som smartphone-appar. Systemet är "ett steg framåt, som representerar den saknade länken som kommer att göra det möjligt för bärbara enheter att kontrollera gener inom en inte så avlägsen framtid", sa teamet.

Problemet med genetiska kontroller

Genuttryck fungerar analogt. DNA har fyra genetiska bokstäver (A, T, C och G), som påminner om en dators 0:or och 1:or. Den genetiska koden kan dock inte bygga och reglera liv om den inte översätts till proteiner. Processen, som kallas genuttryck, rekryterar dussintals biomolekyler, som var och en kontrolleras av andra. "Uppdateringar" av alla genetiska kretsar drivs av evolution, som fungerar på notoriskt långa tidsskalor. Även om den är kraftfull, är den inte direkt effektiv.

Gå in i syntetisk biologi. Fältet sätter ihop nya gener och kopplar in celler för att bilda eller koppla om komplexa kretsar med hjälp av maskiners logik. Tidiga experiment visade att syntetiska kretsar kan kontrollera biologiska processer som normalt resulterar i cancer, infektioner och smärta. Men att aktivera dem kräver ofta molekyler som utlösande faktor – antibiotika, vitaminer, livsmedelstillsatser eller andra molekyler – som håller dessa system inom området för analog biologisk beräkning.

Neurala gränssnitt har redan överbryggt klyftan mellan neurala nätverk – ett analogt datorsystem – och digitala datorer. Kan vi göra samma sak för syntetisk biologi?

Digital syntetisk biologi

Teamets lösning är DC-aktiverad reglerteknik, eller DART.

Så här fungerar inställningen. I kärnan finns reaktiva syrearter (ROS), ofta känd som skurken som driver åldrande och vävnadsslitage. Men våra kroppar producerar normalt dessa molekyler under den metaboliska processen.

För att minimera skador på molekylerna har vi en naturlig proteinbiosensor för att mäta ROS-nivåer. Biosensorn arbetar nära ett protein som kallas NRF2. Paret hänger normalt i den goopy delen av cellen, isolerad från det mesta genetiskt material. När ROS-nivåerna stiger till en alarmerande hastighet släpper sensorn NRF2, som tunnlar in i cellens DNA-lagringsbehållare – kärnan – för att slå på gener som städar upp ROS-röran.

Varför spelar det någon roll? NRF2 kan vara genetiskt modifierad för att slå på andra gener med hjälp av syntetisk biologi, förklarade författarna. En last från tidigare arbete visade el kan trigga celler att pumpa ut ROS på en säker nivå för genetisk kontroll. Med andra ord kan stimulerande celler med elektricitet frigöra ROS, som sedan aktiverar NRF2:s "hemliga agent" för att vända på valfri gen.

DART kombinerar allt detta tidigare arbete till ett mycket effektivt, lågenergisystem för elektrisk genkontroll. Batterier är utlösaren, ROS budbäraren och NRF2 den genetiska "på"-omkopplaren.

För att bygga systemet fick mänskliga celler i petriskålar först en genetisk justering för att få dem att uttrycka mer biosensor och NRF2 än sina naturliga motsvarigheter, vilket i sin tur gjorde de konstruerade cellerna mer anpassade till ROS-nivåer.

Sedan kom designen av avtryckaren. Här använde teamet elektriska akupunkturnålar som redan godkänts av US Food and Drug Administration (FDA). För att driva nålarna undersökte teamet med hjälp av AA-, AAA- eller knappbatterier – de senare finns normalt i bärbara enheter – och mätte olika batterikonfigurationer som producerade en tillräcklig spänning för att stimulera ROS i de konstruerade cellerna.

En prövning använde ett glöd-i-mörk-grönt protein som en indikator. Zappa cellerna med korta utbrott av elektricitet pumpade ut ROS-molekyler. Cellens biosensorer piggnade till och släppte i sin tur NRF2, som fäste vid det syntetiskt tillagda genetiska maskineriet som uttrycker gröna proteiner och slog på det.

Den elektriska utlösaren var helt reversibel, med cellerna "återställda" till normala, friska förhållanden och kunde motstå en annan elektrisk omsvängning.

”Vi har länge velat styra genuttryck direkt med elektricitet; nu har vi äntligen lyckats” sade Fussenegger.

En batterilösning mot diabetes?

Uppmuntrade försökte laget sedan använda DART för att kontrollera insulingenen. Insulin är viktigt för att reglera blodsockret, och dess nivåer störs vid diabetes. Laget är inte främmande för fältet, tidigare ingenjörskonst designerceller som pumpar ut insulin som svar på spänningsförändringar.

Med hjälp av DART, genetiskt modifierade teamet insulinproducerande gener till mänskliga celler, som bara aktiverades i närvaro av ROS efter elektrisk stimulering. Inställningen fungerade perfekt i petriskålar, där cellerna släppte ut insulin efter att ha blivit zappade med elektricitet och därefter duschat i ROS.

De konstruerade cellerna kapslades sedan in i en kliniskt licensierad geléliknande substans och implanterades under huden på ryggen på möss med typ 1-diabetes. Dessa möss kan normalt inte producera insulin på egen hand.

DART-kontrollern är relativt enkel: två akupunkturnålar belagda med platina som drivs av tre AA-batterier och kopplas till en 12V strömbrytare som riktar sig mot de implanterade konstruerade cellerna. Som en kontroll stack teamet också möss med akupunkturnålar långt borta från de implanterade cellerna. Varje grupp zappades i bara 10 sekunder om dagen.

Jämfört med kontrollerna visade den elektrogenetiska behandlingen på bara fyra veckor lovande. Mössen kunde bättre bekämpa lågt blodsocker från bantning, och så småningom återställde de sina normala blodsockernivåer. De var också skickliga på att reglera blodsockernivåerna efter en måltid, något som är svårt för personer med diabetes utan att använda insulin. Andra metaboliska åtgärder förbättrades också.

Nästa steg är att hitta sätt att ersätta behovet av genetiskt modifierade celler som används i implantaten med en mer kliniskt gångbar lösning.

Men för författarna representerar DART en vägkarta för att ytterligare överbrygga biologiska kroppar till den digitala sfären. Det borde vara enkelt att koppla DART-kontroller till ett brett utbud av bioläkemedel inuti celler. Med mer optimering har dessa elektrogenetiska gränssnitt "ett stort löfte för en mängd framtida gen- och cellbaserade terapier", sa författarna.

Image Credit: Peggy och Marco Lachmann-Anke från Pixabay

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/