การศึกษาด้านอิเล็กโทรเจเนติกส์พบว่าวันหนึ่งเราสามารถควบคุมยีนของเราด้วยอุปกรณ์สวมใส่ได้

การศึกษาด้านอิเล็กโทรเจเนติกส์พบว่าวันหนึ่งเราสามารถควบคุมยีนของเราด้วยอุปกรณ์สวมใส่ได้

Time Stamp: 4 สิงหาคม 2023 10:00
Electrogenetics Study Finds We Could One Day Control Our Genes With Wearables PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

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.

ความคิดดูเหมือนดุร้าย แต่ การศึกษาใหม่ in การเผาผลาญธรรมชาติ สัปดาห์นี้แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ ทีมงานที่นำโดย Dr. Martin Fussenegger จาก ETH Zurich และมหาวิทยาลัย Basel ในสวิตเซอร์แลนด์ ได้พัฒนาระบบที่ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงในรูปแบบของแบตเตอรี่หรือแบตเตอรีแบบพกพาเพื่อเปิดยีนในเซลล์มนุษย์ในหนู ด้วยการพลิกสวิตช์อย่างแท้จริง

เพื่อความชัดเจน แบตเตอรี่ไม่สามารถควบคุมได้ ในร่างกาย ยีนของมนุษย์ สำหรับตอนนี้ ใช้ได้กับยีนที่ผลิตในห้องปฏิบัติการที่ใส่เข้าไปในเซลล์ที่มีชีวิตเท่านั้น อย่างไรก็ตามอินเทอร์เฟซมีผลกระทบอยู่แล้ว ในการทดสอบพิสูจน์แนวคิด นักวิทยาศาสตร์ได้ฝังเซลล์มนุษย์ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเข้าไปในหนูที่เป็นเบาหวานชนิดที่ 1 โดยปกติแล้วเซลล์เหล่านี้จะเงียบ แต่สามารถสูบฉีดอินซูลินได้เมื่อกระตุ้นด้วยไฟฟ้า

ทีมวิจัยใช้เข็มฝังเข็มกระตุ้นเป็นเวลา 10 วินาทีต่อวัน และระดับน้ำตาลในเลือดของหนูจะกลับสู่ระดับปกติภายในหนึ่งเดือน สัตว์ฟันแทะยังสามารถจัดการระดับน้ำตาลในเลือดได้หลังจากอาหารมื้อใหญ่โดยไม่ต้องใช้อินซูลินจากภายนอก ซึ่งเป็นการกระทำที่ยากตามปกติ

เรียกว่า "อิเล็กโทรเจเนติกส์" อินเทอร์เฟซเหล่านี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ทีมงานรู้สึกตื่นเต้นเป็นพิเศษกับศักยภาพในการสวมใส่เพื่อเป็นแนวทางในการรักษาโรคเมตาบอลิซึมและความผิดปกติอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้โดยตรง เนื่องจากการติดตั้งต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย แบตเตอรี่ AA สามก้อนจึงสามารถกระตุ้นการฉีดอินซูลินทุกวันได้นานกว่า XNUMX ปี พวกเขากล่าว

การศึกษานี้เป็นข้อมูลล่าสุดในการเชื่อมต่อการควบคุมแบบอะนาล็อกของร่างกาย - การแสดงออกของยีน - กับซอฟต์แวร์ดิจิทัลและที่ตั้งโปรแกรมได้ เช่น แอพสมาร์ทโฟน ระบบนี้เป็น "ก้าวกระโดดที่แสดงถึงการเชื่อมโยงที่ขาดหายไปซึ่งจะช่วยให้อุปกรณ์สวมใส่สามารถควบคุมยีนได้ในอนาคตอันใกล้นี้" ทีมงานกล่าว

ปัญหาเกี่ยวกับการควบคุมทางพันธุกรรม

การแสดงออกของยีนทำงานในแบบอะนาล็อก DNA มีตัวอักษรทางพันธุกรรมสี่ตัว (A, T, C และ G) ซึ่งชวนให้นึกถึงเลข 0 และ 1 ของคอมพิวเตอร์ อย่างไรก็ตาม รหัสพันธุกรรมไม่สามารถสร้างและควบคุมชีวิตได้ เว้นแต่จะถูกแปลเป็นโปรตีน กระบวนการนี้เรียกว่าการแสดงออกของยีน โดยคัดเลือกสารชีวโมเลกุลหลายสิบชนิด ซึ่งแต่ละชนิดจะถูกควบคุมโดยสารอื่น “การอัพเดท” ต่อวงจรพันธุกรรมใด ๆ นั้นขับเคลื่อนโดยวิวัฒนาการ ซึ่งทำงานในมาตราส่วนเวลาที่ยาวนานอย่างฉาวโฉ่ แม้ว่า Playbook ชีววิทยาจะมีประสิทธิภาพ แต่ก็ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากนัก

ใส่ชีววิทยาสังเคราะห์. สนามนี้รวบรวมยีนใหม่และแตะเข้าไปในเซลล์เพื่อสร้างหรือต่อวงจรที่ซับซ้อนโดยใช้ตรรกะของเครื่องจักร การทดลองในช่วงต้นแสดงให้เห็นว่าวงจรสังเคราะห์สามารถควบคุมกระบวนการทางชีววิทยาที่ปกติแล้วส่งผลให้เกิดมะเร็ง การติดเชื้อ และความเจ็บปวด แต่การเปิดใช้งานมักจะต้องใช้โมเลกุลเป็นตัวกระตุ้น เช่น ยาปฏิชีวนะ วิตามิน วัตถุเจือปนอาหาร หรือโมเลกุลอื่นๆ ซึ่งทำให้ระบบเหล่านี้อยู่ในขอบเขตของการคำนวณทางชีววิทยาแบบอะนาล็อก

อินเทอร์เฟซของนิวรัลได้เชื่อมโยงการแบ่งแยกระหว่างโครงข่ายประสาทเทียม—ระบบคอมพิวเตอร์แบบอะนาล็อก—กับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลแล้ว เราสามารถทำเช่นเดียวกันกับชีววิทยาสังเคราะห์ได้หรือไม่?

ชีววิทยาสังเคราะห์ดิจิทัล

โซลูชันของทีมคือเทคโนโลยีการควบคุม DC-actuated หรือ DART

นี่คือวิธีการตั้งค่า ที่แกนกลางคือรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (ROS) ซึ่งมักรู้จักกันในนามวายร้ายที่ขับเคลื่อนความชราและการสึกหรอของเนื้อเยื่อ อย่างไรก็ตาม โดยปกติร่างกายของเราจะผลิตโมเลกุลเหล่านี้ในระหว่างกระบวนการเมตาบอลิซึม

เพื่อลดความเสียหายต่อโมเลกุล เรามีไบโอเซนเซอร์โปรตีนธรรมชาติเพื่อวัดระดับ ROS ไบโอเซนเซอร์ทำงานอย่างใกล้ชิดกับโปรตีนที่เรียกว่า NRF2 ปกติแล้วทั้งคู่จะอยู่ด้วยกันในส่วนที่เป็นกากๆ ของเซลล์ ซึ่งแยกได้จากสารพันธุกรรมส่วนใหญ่ เมื่อระดับ ROS เพิ่มขึ้นจนน่าตกใจ เซ็นเซอร์จะปล่อย NRF2 ซึ่งจะเจาะเข้าไปในภาชนะเก็บ DNA ของเซลล์ ซึ่งก็คือนิวเคลียส เพื่อเปิดใช้งานยีนที่ล้างความยุ่งเหยิงของ ROS

ทำไมมันถึงสำคัญ? NRF2 สามารถดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อเปิดใช้ยีนอื่นๆ โดยใช้ชีววิทยาสังเคราะห์ ผู้เขียนอธิบาย โหลด จากก่อนหน้านี้ งาน แสดงให้เห็นว่า กระแสไฟฟ้า สามารถกระตุ้นให้เซลล์สูบฉีด ROS ออกมาในระดับที่ปลอดภัยสำหรับการควบคุมทางพันธุกรรม กล่าวอีกนัยหนึ่ง การกระตุ้นเซลล์ด้วยไฟฟ้าสามารถปล่อย ROS ซึ่งจะเปิดใช้งาน "สายลับ" ของ NRF2 เพื่อเปลี่ยนยีนที่คุณเลือก

DART รวมงานก่อนหน้านี้ทั้งหมดเข้ากับระบบพลังงานต่ำที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการควบคุมยีนไฟฟ้า แบตเตอรี่เป็นตัวกระตุ้น ROS คือตัวส่งสาร และ NRF2 คือสวิตช์ "เปิด" ทางพันธุกรรม

ในการสร้างระบบนี้ เซลล์มนุษย์ในจานเพาะเชื้อได้รับการปรับแต่งพันธุกรรมก่อนเพื่อให้แสดงไบโอเซนเซอร์และ NRF2 มากกว่าเซลล์ตามธรรมชาติ ซึ่งทำให้เซลล์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมปรับให้เข้ากับระดับ ROS ได้มากขึ้น

จากนั้นมาออกแบบทริกเกอร์ ที่นี่ ทีมงานใช้เข็มฝังเข็มไฟฟ้าที่ได้รับการอนุมัติจากองค์การอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) แล้ว ในการจ่ายไฟให้กับเข็ม ทีมงานได้สำรวจโดยใช้แบตเตอรี่ AA, AAA หรือถ่านกระดุม ซึ่งปกติแล้วแบตเตอรี่ชนิดนี้จะอยู่ภายในอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ และวัดการกำหนดค่าของแบตเตอรี่แบบต่างๆ ที่ผลิตแรงดันไฟฟ้าเพียงพอที่จะกระตุ้น ROS ในเซลล์ที่ออกแบบ

การทดลองหนึ่งใช้โปรตีนสีเขียวที่เรืองแสงในที่มืดเป็นตัวบ่งชี้ การกระแทกเซลล์ด้วยการระเบิดของกระแสไฟฟ้าชั่วครู่จะสูบฉีดโมเลกุล ROS ออกมา ไบโอเซนเซอร์ของเซลล์ทำงานดีขึ้น และปล่อย NRF2 ซึ่งจับกับกลไกทางพันธุกรรมที่สังเคราะห์ขึ้นซึ่งแสดงออกถึงโปรตีนสีเขียวและเปิดใช้งาน

ทริกเกอร์ไฟฟ้าสามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์โดยเซลล์จะ "รีเซ็ต" เข้าสู่สภาวะปกติที่ดีต่อสุขภาพและสามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าได้อีกครั้ง

“เราต้องการควบคุมการแสดงออกของยีนโดยตรงโดยใช้ไฟฟ้ามาเป็นเวลานานแล้ว ในที่สุดเราก็ทำสำเร็จแล้ว” กล่าวว่า ฟุสเซเนกเกอร์.

วิธีแก้ปัญหาแบตเตอรี่สำหรับโรคเบาหวาน?

ทีมได้รับการสนับสนุน ต่อมาลองใช้ DART เพื่อควบคุมยีนอินซูลิน อินซูลินเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด และระดับของอินซูลินจะหยุดชะงักในโรคเบาหวาน ทีมไม่ใช่คนแปลกหน้าในสนาม วิศวกรรมก่อนหน้านี้ เซลล์ออกแบบที่ปั๊มอินซูลินออกมาเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า

ด้วยการใช้ DART ทีมงานได้ดัดแปลงยีนที่ผลิตอินซูลินในเซลล์ของมนุษย์ ซึ่งจะเปิดการทำงานเมื่อมี ROS หลังจากการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเท่านั้น การตั้งค่านี้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบในจานเพาะเชื้อ โดยเซลล์จะปล่อยอินซูลินออกมาหลังจากถูกไฟฟ้าดูด และหลังจากนั้นก็อาบน้ำใน ROS

จากนั้น เซลล์ที่ได้รับการออกแบบจะถูกห่อหุ้มเป็นสารคล้ายเยลลี่ที่ได้รับอนุญาตทางการแพทย์ และฝังไว้ใต้ผิวหนังบนหลังของหนูที่เป็นเบาหวานชนิดที่ 1 หนูเหล่านี้ไม่สามารถผลิตอินซูลินได้ตามปกติ

ตัวควบคุม DART นั้นค่อนข้างเรียบง่าย: เข็มฝังเข็มสองเข็มเคลือบด้วยแพลทินัมที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ AA สามก้อนและต่อสายเข้ากับสวิตช์ไฟ 12V ซึ่งกำหนดเป้าหมายไปที่เซลล์วิศวกรรมที่ฝังไว้ ทีมควบคุมยังได้แทงหนูด้วยเข็มฝังเข็มที่อยู่ห่างจากเซลล์ที่ปลูกถ่าย แต่ละกลุ่มถูกโจมตีเพียง 10 วินาทีต่อวัน

เมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม ในเวลาเพียงสี่สัปดาห์ การบำบัดด้วยอิเล็กโทรเจเนติกส์ก็แสดงให้เห็นถึงความหวัง หนูสามารถต่อสู้กับภาวะน้ำตาลในเลือดต่ำจากการอดอาหารได้ดีขึ้น และในที่สุดพวกมันก็สามารถฟื้นฟูระดับน้ำตาลในเลือดให้เป็นปกติได้ พวกเขายังเชี่ยวชาญในการควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดหลังมื้ออาหารซึ่งเป็นสิ่งที่ยากในผู้ป่วยเบาหวานโดยไม่ต้องใช้อินซูลิน มาตรการการเผาผลาญอื่น ๆ ก็ดีขึ้นเช่นกัน

ขั้นตอนต่อไปคือการค้นหาวิธีที่จะแทนที่ความต้องการเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรมที่ใช้ในการปลูกถ่ายด้วยวิธีแก้ปัญหาที่ได้ผลทางคลินิกมากขึ้น

แต่สำหรับผู้เขียนแล้ว DART เปรียบเสมือนแผนที่นำทางในการเชื่อมร่างกายทางชีววิทยาเข้ากับอาณาจักรดิจิทัล การเชื่อมโยงการควบคุม DART กับชีวเภสัชภัณฑ์ที่หลากหลายภายในเซลล์ควรตรงไปตรงมา ด้วยการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้น อินเทอร์เฟซอิเล็กโทรเจเนติกส์เหล่านี้ “ถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ยอดเยี่ยมสำหรับการบำบัดด้วยยีนและเซลล์ในอนาคตที่หลากหลาย” ผู้เขียนกล่าว

เครดิตภาพ: เพ็กกี้ และ มาร์โก ลัคมันน์-อันเก้ ราคาเริ่มต้นที่ Pixabay

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์