电遗传学研究发现我们有一天可以通过可穿戴设备控制我们的基因

这些组件听起来像是购物和水疗中心休息后的结果：三节 AA 电池。 两根电针。 一种塑料支架，通常连接到电池供电的仙女灯上。 但它们一起合并成一个强大的刺激装置，使用家用电池来控制细胞中的基因表达。

这个想法看起来很疯狂，但是 一项新的研究 in 自然代谢 本周的事实表明这是可能的。 该团队由苏黎世联邦理工学院和瑞士巴塞尔大学的 Martin Fussenegger 博士领导，开发了一种系统，该系统使用直流电（以电池或便携式电池组的形式）来启动小鼠人体细胞中的基因只需按一下开关即可。

需要明确的是，电池组无法调节 体内 人类基因。 目前，它仅适用于插入活细胞的实验室制造的基因。 然而界面已经产生了影响。 在概念验证测试中，科学家们将基因工程人类细胞植入患有 1 型糖尿病的小鼠体内。 这些细胞通常是沉默的，但当被电击激活时可以泵出胰岛素。

研究小组使用针灸针每天触发10秒，小鼠的血糖水平在一个月内恢复正常。 这些啮齿动物甚至在大餐后重新获得了控制血糖水平的能力，而无需外部胰岛素，这通常是一项困难的任务。

这些接口被称为“电遗传学”，仍处于起步阶段。 但该团队对可穿戴设备在直接指导代谢疾病和其他潜在疾病的治疗方面的潜力感到特别兴奋。 他们说，由于该装置需要很少的电力，三节 AA 电池可以触发五年多的每日胰岛素注射。

这项研究是将人体的模拟控制（基因表达）与智能手机应用程序等数字和可编程软件连接起来的最新研究。 该团队表示，该系统是“一次飞跃，代表了缺失的一环，使可穿戴设备能够在不远的将来控制基因”。

基因控制的麻烦

基因表达以类似的方式进行。 DNA 有四个遗传字母（A、T、C 和 G），让人想起计算机的 0 和 1。 然而，遗传密码除非被翻译成蛋白质，否则无法构建和调节生命。 这个过程被称为基因表达，招募数十种生物分子，每个分子都受到其他分子的控制。 任何遗传回路的“更新”都是由进化驱动的，众所周知，进化的时间尺度非常长。 虽然生物学手册很强大，但它并不完全有效。

进入合成生物学。 该领域利用机器逻辑组装新基因并接入细胞以形成或重新连接复杂的电路。 早期实验表明，合成电路可以控制通常导致癌症、感染和疼痛的生物过程。 但激活它们通常需要分子作为触发器——抗生素、维生素、食品添加剂或其他分子——将这些系统保持在模拟生物计算领域。

神经接口已经弥合了神经网络（模拟计算系统）和数字计算机之间的鸿沟。 我们可以对合成生物学做同样的事情吗？

数字合成生物学

该团队的解决方案是直流驱动调节技术（DART）。

以下是设置的工作原理。 其核心是活性氧 (ROS)，它通常被称为导致衰老和组织磨损的罪魁祸首。 然而，我们的身体通常在代谢过程中产生这些分子。

为了最大限度地减少对分子的损害，我们有一种天然蛋白质生物传感器来测量 ROS 水平。 该生物传感器与一种名为 NRF2 的蛋白质密切合作。 这对夫妇通常待在细胞的粘稠部分，与大多数遗传物质隔离。 当 ROS 水平上升到惊人的速度时，传感器会释放 NRF2，它会进入细胞的 DNA 存储容器（细胞核），以启动基因来清理 ROS 混乱。

为什么这有关系？ 作者解释说，可以利用合成生物学对 NRF2 进行基因改造以开启其他基因。 负载 以前的 工作 显示 电力 可以触发细胞以安全水平泵出ROS以进行遗传控制。 换句话说，用电刺激细胞可以释放 ROS，然后激活 NRF2“秘密代理”来激活您选择的任何基因。

DART 将所有这些先前的工作结合到一个高效、低能耗的电气基因控制系统中。 电池是触发器，ROS 是信使，NRF2 是基因“开启”开关。

为了构建该系统，培养皿中的人类细胞首先进行了基因调整，使它们比天然细胞表达更多的生物传感器和 NRF2，从而使工程细胞更适应 ROS 水平。

然后是设计触发器。 在这里，该团队使用了美国食品和药物管理局（FDA）批准的电针。 为了给针头提供动力，该团队探索了使用 AA、AAA 或纽扣电池（后者通常位于可穿戴设备内），并测量了不同的电池配置，这些配置可产生足够的电压来刺激工程细胞中的 ROS。

一项试验使用一种在深绿色中发光的蛋白质作为指示剂。 用短暂的电流冲击细胞，释放出活性氧分子。 细胞的生物传感器活跃起来，进而释放 NRF2，NRFXNUMX 锁定表达绿色蛋白质的合成添加基因机器并将其打开。

电触发是完全可逆的，细胞“重置”到正常、健康的状态，并且能够承受另一次电复飞。

“我们长期以来一直想用电来直接控制基因表达； 现在我们终于成功了” 说过 富森格。

糖尿病的电池解决方案？

受到鼓舞，研究小组接下来尝试使用 DART 来控制胰岛素基因。 胰岛素对于调节血糖至关重要，其水平在糖尿病中会受到干扰。 这支球队对这个领域并不陌生， 以前工程 设计细胞响应电压变化而泵出胰岛素。

使用 DART，该团队将产生胰岛素的基因基因改造到人体细胞中，这些基因只有在电刺激后存在 ROS 的情况下才会开启。 该装置在培养皿中完美运行，细胞在通电后释放胰岛素，随后沐浴在活性氧中。

然后将工程细胞封装到临床许可的果冻状物质中，并植入患有 1 型糖尿病的小鼠背部的皮下。 这些小鼠通常不能自行产生胰岛素。

DART 控制器相对简单：两根涂有铂金的针灸针，由三节 AA 电池供电，并连接到针对植入的工程细胞的 12V 电源开关。 作为对照，研究小组还用针灸针在远离植入细胞的地方刺破小鼠。 每组每天只进行 10 秒的电击。

与对照组相比，电遗传学治疗在短短四个星期内就显示出了希望。 小鼠可以通过节食更好地对抗低血糖，并最终恢复正常的血糖水平。 他们还擅长调节餐后血糖水平，这对于不使用胰岛素的糖尿病患者来说是很困难的。 其他代谢指标也有所改善。

下一步是寻找方法，用临床上更可行的解决方案来取代植入物中使用的基因工程细胞的需求。

但对作者来说，DART 代表了进一步将生物体与数字领域连接起来的路线图。 将 DART 控制与细胞内的各种生物制药联系起来应该很简单。 作者说，通过进一步优化，这些电遗传学接口“为未来各种基于基因和细胞的疗法带来了巨大的希望”。

图片来源： 佩吉与马可·拉赫曼·安克 止 Pixabay

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• Sumber: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/