Електрогенетичне дослідження виявило, що одного дня ми зможемо контролювати наші гени за допомогою носіїв

Звучання компонентів нагадує наслідки шопінгу та спа-центру: три батарейки типу АА. Дві електричні акупунктурні голки. Один пластиковий тримач, який зазвичай кріпиться до казкових лампочок на батарейках. Але разом вони зливаються в потужний пристрій стимуляції, який використовує побутові батарейки для контролю експресії генів у клітинах.

Ідея здається дикою, але Нове дослідження in Метаболізм природи цей тиждень показав, що це можливо. Команда під керівництвом доктора Мартіна Фуссенеггера з ETH Цюріха та Базельського університету в Швейцарії розробила систему, яка використовує електрику постійного струму — у вигляді батарей або портативних акумуляторних батарей — для включення гена в людських клітинах у мишей. з буквальним натисканням перемикача.

Щоб було зрозуміло, акумуляторна батарея не може регулювати в природних умовах гени людини. Наразі це працює лише для лабораторних генів, вставлених у живі клітини. Проте інтерфейс уже вплинув. У тесті на підтвердження концепції вчені імплантували генно-інженерні клітини людини мишам із діабетом 1 типу. Зазвичай ці клітини безшумні, але можуть викачувати інсулін, якщо їх активувати електричним струмом.

Команда використовувала акупунктурні голки, щоб викликати тригер протягом 10 секунд на день, і рівень цукру в крові мишей нормалізувався протягом місяця. Гризуни навіть відновили здатність контролювати рівень цукру в крові після великої їди без потреби зовнішнього інсуліну, що зазвичай важко.

Ці інтерфейси, які називаються «електрогенетикою», все ще перебувають у зародковому стані. Але команда особливо схвильована їхнім потенціалом у носінні, щоб безпосередньо керувати терапевтичними засобами для метаболічних та потенційно інших розладів. Оскільки установка потребує дуже мало енергії, три батареї типу АА можуть запустити щоденну ін'єкцію інсуліну протягом більше п'яти років, кажуть вони.

Це останнє дослідження, яке поєднало аналоговий контроль організму — експресію генів — із цифровим і програмованим програмним забезпеченням, таким як програми для смартфонів. Команда заявила, що ця система є «стрибком вперед, представляючи відсутню ланку, яка дозволить носимим пристроям контролювати гени в не такому далекому майбутньому».

Проблеми з генетичним контролем

Експресія генів працює за аналогом. ДНК має чотири генетичні літери (A, T, C і G), які нагадують комп’ютерні 0 і 1. Однак генетичний код не може будувати та регулювати життя, якщо він не переведений у білки. Процес, який називається експресією генів, залучає десятки біомолекул, кожна з яких контролюється іншими. «Оновлення» будь-яких генетичних ланцюгів обумовлені еволюцією, яка працює в сумнозвісно тривалих масштабах часу. Хоча підручник з біології потужний, він не зовсім ефективний.

Введіть синтетичну біологію. Поле збирає нові гени та проникає в клітини, щоб сформувати або змінити складні схеми за допомогою логіки машин. Ранні експерименти показали, що синтетичні схеми можуть контролювати біологічні процеси, які зазвичай призводять до раку, інфекцій і болю. Але для їх активації часто потрібні молекули як пусковий механізм — антибіотики, вітаміни, харчові добавки чи інші молекули, — утримуючи ці системи у сфері аналогових біологічних обчислень.

Нейроінтерфейси вже подолали розрив між нейронними мережами — аналоговими обчислювальними системами — та цифровими комп’ютерами. Чи можемо ми зробити те саме для синтетичної біології?

Цифрова синтетична біологія

Рішення команди – технологія регулювання постійного струму, або DART.

Ось як працює налаштування. В основі – активні форми кисню (АФК), часто відомі як лиходій, який стимулює старіння та зношування тканин. Однак наш організм зазвичай виробляє ці молекули під час метаболічного процесу.

Щоб звести до мінімуму пошкодження молекул, у нас є природний білковий біосенсор для визначення рівня АФК. Біосенсор тісно співпрацює з білком під назвою NRF2. Пара зазвичай сидить у липкій частині клітини, ізольованій від більшості генетичного матеріалу. Коли рівень АФК зростає до загрозливої ​​швидкості, датчик вивільняє NRF2, який тунелює в контейнер для зберігання ДНК клітини — ядро ​​— щоб увімкнути гени, які очищають безлад від АФК.

Чому це важливо? Автори пояснили, що NRF2 можна генетично сконструювати для включення інших генів за допомогою синтетичної біології. Навантаження попереднього робота показав електрика може спонукати клітини виробляти АФК на безпечному рівні для генетичного контролю. Іншими словами, стимуляція клітин електрикою може вивільнити ROS, які потім активують «секретного агента» NRF2, щоб включити будь-який ген на ваш вибір.

DART поєднує всю цю попередню роботу у високоефективну, низькоенергетичну систему для електричного контролю генів. Батареї — це тригер, ROS — месенджер, а NRF2 — генетичний перемикач.

Щоб побудувати систему, людські клітини в чашках Петрі спочатку пройшли генетичну настройку, щоб вони експресували більше біосенсора та NRF2, ніж їхні природні аналоги, у свою чергу, роблячи сконструйовані клітини більш налаштованими на рівні АФК.

Потім прийшла конструкція тригера. Тут команда використовувала електричні акупунктурні голки, які вже схвалені Управлінням з контролю за продуктами й ліками США (FDA). Щоб живити голки, команда досліджувала використання батарейок типу AA, AAA або кнопкових батарейок (останні зазвичай знаходяться всередині носіїв), а також виміряла різні конфігурації батарейок, які виробляли достатню напругу для стимуляції АФК у сконструйованих клітинах.

В одному дослідженні в якості індикатора використовувався зелений білок, що світиться в темряві. Блокування клітин короткими спалахами електрики викачало молекули АФК. Біосенсори клітини пожвавилися, у свою чергу вивільнивши NRF2, який зачепився за синтетично доданий генетичний механізм, який експресує зелені білки, і ввімкнув його.

Електричний тригер був повністю оборотним, клітини «перезавантажувалися» до нормальних, здорових умов і були здатні витримувати ще один електричний удар.

«Ми давно хотіли безпосередньо контролювати експресію генів за допомогою електрики; тепер ми нарешті досягли успіху», сказав Фюссенеггер.

Батарейне рішення для діабету?

Підбадьорена, команда потім спробувала використовувати DART для контролю гена інсуліну. Інсулін необхідний для регуляції цукру в крові, а його рівень порушується при діабеті. Команда на полі не чужа, раніше інженер дизайнерські клітини, які викачують інсулін у відповідь на зміни напруги.

Використовуючи DART, команда генетично модифікувала гени, що виробляють інсулін, у людські клітини, які вмикалися лише за наявності АФК після електричної стимуляції. Налаштування ідеально працювало в чашках Петрі, коли клітини вивільняли інсулін після того, як їх запустили електрикою та згодом полили АФК.

Сконструйовані клітини потім інкапсулювали в желеподібну субстанцію, яка має клінічну ліцензію, і імплантували під шкіру на спині мишей з діабетом 1 типу. Ці миші зазвичай не можуть самостійно виробляти інсулін.

Контролер DART відносно простий: дві акупунктурні голки, покриті платиною, живляться від трьох батарейок типу АА та підключаються до вимикача живлення 12 В, який націлюється на імплантовані сконструйовані клітини. В якості контролю команда також колола мишей акупунктурними голками далеко від імплантованих клітин. Кожну групу захоплювали лише 10 секунд на день.

Порівняно з контрольною групою, лише за чотири тижні електрогенетичне лікування показало перспективу. Миші могли краще боротися з низьким рівнем цукру в крові через дієту, і зрештою вони відновили свій нормальний рівень цукру в крові. Вони також вправно регулювали рівень цукру в крові після їжі, що важко для людей з діабетом без використання інсуліну. Інші метаболічні показники також покращилися.

Наступним кроком є ​​пошук способів замінити потребу в генно-інженерних клітинах, які використовуються в імплантатах, більш клінічно життєздатним рішенням.

Але для авторів DART представляє дорожню карту для подальшого зв’язку біологічних тіл із цифровою сферою. Пов’язати засоби контролю DART із широким спектром біофармацевтичних препаратів у клітинах має бути просто. За словами авторів, завдяки більшій оптимізації ці електрогенетичні інтерфейси «обіцяють багато майбутніх генних і клітинних методів лікування».

Зображення Фото: Пеггі і Марко Лахман-Анке від Pixabay

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/