Nghiên cứu điện di truyền tìm thấy một ngày nào đó chúng ta có thể kiểm soát gen của mình bằng thiết bị đeo

Nghiên cứu điện di truyền tìm thấy một ngày nào đó chúng ta có thể kiểm soát gen của mình bằng thiết bị đeo

Dấu thời gian: 4:2023 sáng ngày 10 tháng 00 năm XNUMX
Nghiên cứu về điện di học cho thấy một ngày nào đó chúng ta có thể kiểm soát gen của mình bằng trí thông minh dữ liệu PlatoBlockchain trên thiết bị đeo được. Tìm kiếm dọc. Ái.

Các thành phần nghe giống như kết quả của một chuyến đi mua sắm và spa: ba cục pin AA. Hai kim châm cứu điện. Một giá đỡ bằng nhựa thường được gắn vào đèn thần tiên chạy bằng pin. Nhưng chúng cùng nhau hợp nhất thành một thiết bị kích thích mạnh mẽ sử dụng pin gia dụng để kiểm soát biểu hiện gen trong tế bào.

Ý tưởng có vẻ hoang đường, nhưng một nghiên cứu mới in Trao đổi chất tự nhiên tuần này cho thấy rằng nó có thể. Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Martin Fussenegger tại ETH Zurich và Đại học Basel ở Thụy Sĩ đứng đầu đã phát triển một hệ thống sử dụng dòng điện một chiều—dưới dạng pin hoặc ngân hàng pin di động—để kích hoạt một gen trong tế bào người ở chuột với một lần bật công tắc theo nghĩa đen.

Để rõ ràng, bộ pin không thể điều chỉnh trong cơ thể gen người. Hiện tại, nó chỉ hoạt động đối với các gen do phòng thí nghiệm tạo ra được đưa vào các tế bào sống. Tuy nhiên, giao diện đã có một tác động. Trong một thử nghiệm chứng minh khái niệm, các nhà khoa học đã cấy tế bào người biến đổi gen vào chuột mắc bệnh tiểu đường Loại 1. Những tế bào này thường im lặng, nhưng có thể bơm ra insulin khi được kích hoạt bằng điện giật.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kim châm cứu để kích hoạt trong 10 giây mỗi ngày và lượng đường trong máu ở chuột trở lại bình thường trong vòng một tháng. Các loài gặm nhấm thậm chí còn lấy lại được khả năng kiểm soát lượng đường trong máu sau một bữa ăn lớn mà không cần insulin bên ngoài, một thành tích thường rất khó khăn.

Được gọi là “điện di truyền học”, những giao diện này vẫn còn sơ khai. Nhưng nhóm nghiên cứu đặc biệt hào hứng với tiềm năng của chúng trong thiết bị đeo để hướng dẫn trực tiếp phương pháp trị liệu cho các rối loạn chuyển hóa và có thể là các rối loạn khác. Họ cho biết vì quá trình thiết lập cần rất ít năng lượng nên ba pin AA có thể kích hoạt một liều insulin hàng ngày trong hơn XNUMX năm.

Nghiên cứu này là nghiên cứu mới nhất nhằm kết nối các điều khiển tương tự của cơ thể—biểu hiện gen—với phần mềm kỹ thuật số và có thể lập trình như ứng dụng điện thoại thông minh. Nhóm nghiên cứu cho biết hệ thống này là “một bước nhảy vọt, đại diện cho liên kết còn thiếu sẽ cho phép các thiết bị đeo kiểm soát gen trong một tương lai không xa”.

Rắc rối với kiểm soát di truyền

Biểu hiện gen hoạt động tương tự. DNA có bốn chữ cái di truyền (A, T, C và G), gợi nhớ đến các số 0 và 1 của máy tính. Tuy nhiên, mã di truyền không thể xây dựng và điều chỉnh sự sống trừ khi nó được dịch thành protein. Quá trình này, được gọi là biểu hiện gen, tuyển dụng hàng chục phân tử sinh học, mỗi phân tử này được kiểm soát bởi những phân tử khác. “Cập nhật” cho bất kỳ mạch di truyền nào đều được thúc đẩy bởi quá trình tiến hóa, hoạt động trên quy mô thời gian dài nổi tiếng. Mặc dù mạnh mẽ, vở kịch sinh học không thực sự hiệu quả.

Nhập sinh học tổng hợp. Lĩnh vực này lắp ráp các gen mới và chạm vào các tế bào để hình thành hoặc nối lại các mạch phức tạp bằng cách sử dụng logic của máy móc. Các thí nghiệm ban đầu cho thấy các mạch tổng hợp có thể kiểm soát các quá trình sinh học thường dẫn đến ung thư, nhiễm trùng và đau đớn. Nhưng việc kích hoạt chúng thường yêu cầu các phân tử đóng vai trò kích hoạt—thuốc kháng sinh, vitamin, phụ gia thực phẩm hoặc các phân tử khác—giữ các hệ thống này trong lĩnh vực tính toán sinh học tương tự.

Các giao diện nơ-ron đã bắc cầu nối giữa các mạng nơ-ron—một hệ thống điện toán tương tự—và các máy tính kỹ thuật số. Chúng ta có thể làm điều tương tự đối với sinh học tổng hợp không?

Sinh học tổng hợp kỹ thuật số

Giải pháp của nhóm là công nghệ điều chỉnh DC-actuated, hay DART.

Đây là cách thiết lập hoạt động. Cốt lõi là các loại oxy phản ứng (ROS), thường được gọi là nhân vật phản diện thúc đẩy quá trình lão hóa và hao mòn mô. Tuy nhiên, cơ thể chúng ta thường tạo ra các phân tử này trong quá trình trao đổi chất.

Để giảm thiểu thiệt hại cho các phân tử, chúng tôi có một bộ cảm biến sinh học protein tự nhiên để đánh giá mức độ ROS. Bộ cảm biến sinh học hoạt động chặt chẽ với một loại protein gọi là NRF2. Cặp đôi này thường đi chơi trong phần bẩn thỉu của tế bào, được cách ly với hầu hết các vật chất di truyền. Khi nồng độ ROS tăng đến mức đáng báo động, cảm biến sẽ giải phóng NRF2, đường hầm này đi vào vùng chứa lưu trữ DNA của tế bào—nhân—để bật các gen dọn dẹp mớ hỗn độn ROS.

Tại sao nó quan trọng? Các tác giả giải thích rằng NRF2 có thể được biến đổi gen để kích hoạt các gen khác bằng cách sử dụng sinh học tổng hợp. Một tải của trước đó công việc cho thấy điện có thể kích hoạt các tế bào bơm ra ROS ở mức an toàn để kiểm soát di truyền. Nói cách khác, việc kích thích các tế bào bằng điện có thể giải phóng ROS, sau đó ROS sẽ kích hoạt “tác nhân bí mật” NRF2 để kích hoạt bất kỳ gen nào bạn chọn.

DART kết hợp tất cả công việc trước đây này thành một hệ thống năng lượng thấp, hiệu quả cao để kiểm soát gen điện. Pin là trình kích hoạt, ROS là trình nhắn tin và NRF2 là công tắc “bật” di truyền.

Để xây dựng hệ thống, các tế bào người trong đĩa Petri trước tiên được điều chỉnh di truyền để làm cho chúng biểu hiện nhiều cảm biến sinh học và NRF2 hơn so với các tế bào tự nhiên của chúng, từ đó làm cho các tế bào được thiết kế hài hòa hơn với mức ROS.

Sau đó đến thiết kế kích hoạt. Tại đây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kim châm cứu điện đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt. Để cung cấp năng lượng cho kim, nhóm đã khám phá cách sử dụng pin AA, AAA hoặc pin cúc áo—loại pin sau này thường nằm trong thiết bị đeo tay—và đo các cấu hình pin khác nhau tạo ra điện áp đủ để kích thích ROS trong các tế bào được thiết kế.

Một thử nghiệm đã sử dụng protein màu xanh lá cây phát sáng trong bóng tối làm chất chỉ thị. Hạ gục các tế bào bằng các đợt điện ngắn đã bơm ra các phân tử ROS. Các cảm biến sinh học của tế bào hoạt động trở lại, đến lượt nó giải phóng NRF2, chất này bám vào bộ máy di truyền được bổ sung tổng hợp để biểu hiện các protein màu xanh lá cây và kích hoạt nó.

Bộ kích hoạt điện hoàn toàn có thể đảo ngược được, với các tế bào được “thiết lập lại” ở trạng thái bình thường, khỏe mạnh và có thể chịu được một sự cố điện khác.

“Chúng tôi đã muốn kiểm soát trực tiếp biểu hiện gen bằng điện trong một thời gian dài; bây giờ chúng tôi cuối cùng đã thành công, nói Fussenegger.

Một giải pháp pin cho bệnh tiểu đường?

Được khuyến khích, nhóm tiếp theo đã thử sử dụng DART để kiểm soát gen insulin. Insulin cần thiết để điều chỉnh lượng đường trong máu và mức độ của nó bị phá vỡ trong bệnh tiểu đường. Đội không xa lạ gì với lĩnh vực này, kỹ thuật trước đây các tế bào thiết kế bơm ra insulin để đáp ứng với sự thay đổi điện áp.

Bằng cách sử dụng DART, nhóm nghiên cứu đã biến đổi gen sản xuất insulin thành tế bào người, gen này chỉ hoạt động khi có ROS sau khi kích thích điện. Quá trình thiết lập hoạt động hoàn hảo trong đĩa Petri, với các tế bào giải phóng insulin sau khi được kích hoạt bằng điện và sau đó được tắm trong ROS.

Sau đó, các tế bào đã được biến đổi gen được gói gọn trong một chất giống như thạch được chứng nhận lâm sàng và được cấy dưới da lưng của những con chuột mắc bệnh tiểu đường Loại 1. Những con chuột này thường không thể tự sản xuất insulin.

Bộ điều khiển DART tương đối đơn giản: hai kim châm cứu được phủ bạch kim chạy bằng ba pin AA và được nối với công tắc nguồn 12V nhắm vào các tế bào được thiết kế cấy ghép. Để kiểm soát, nhóm nghiên cứu cũng chích chuột bằng kim châm cứu cách xa các tế bào được cấy ghép. Mỗi nhóm bị hạ gục chỉ trong 10 giây mỗi ngày.

So với các biện pháp kiểm soát, chỉ trong bốn tuần, phương pháp điều trị bằng điện di truyền đã cho thấy nhiều hứa hẹn. Những con chuột này có thể chống lại lượng đường trong máu thấp do ăn kiêng tốt hơn, và cuối cùng chúng đã khôi phục lại lượng đường trong máu bình thường. Họ cũng thành thạo trong việc điều chỉnh lượng đường trong máu sau bữa ăn, điều mà những người mắc bệnh tiểu đường không sử dụng insulin gặp khó khăn. Các biện pháp trao đổi chất khác cũng được cải thiện.

Bước tiếp theo là tìm cách thay thế nhu cầu về các tế bào biến đổi gen được sử dụng trong cấy ghép bằng một giải pháp khả thi hơn về mặt lâm sàng.

Nhưng đối với các tác giả, DART đại diện cho một lộ trình để tiếp tục kết nối các cơ thể sinh học với lĩnh vực kỹ thuật số. Việc liên kết các biện pháp kiểm soát DART với nhiều loại dược phẩm sinh học bên trong tế bào sẽ trở nên đơn giản. Các tác giả cho biết, với sự tối ưu hóa nhiều hơn, các giao diện điện di truyền này “hứa hẹn rất nhiều cho nhiều liệu pháp dựa trên tế bào và gen trong tương lai”.

Ảnh: Peggy và Marco Lachmann-Anke từ Pixabay

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt