Исследование электрогенетики показало, что однажды мы сможем контролировать наши гены с помощью носимых устройств

Компоненты звучат как последствия похода по магазинам или в спа: три батарейки типа АА. Две электрические иглы для акупунктуры. Один пластиковый держатель, который обычно прикрепляется к гирляндам с батарейным питанием. Но вместе они сливаются в мощное устройство стимуляции, открывая новый канал, который использует бытовые батарейки для контроля экспрессии генов в клетках.

Идея кажется дикой, но новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Metabolism, показало, что это возможно. Команда под руководством доктора Мартина Фюссенеггера из ETH Цюриха и Базельского университета в Швейцарии разработала систему, которая использует электричество постоянного тока — в виде батарей или портативных батарейных блоков — для включения гена в клетках человека у мышей. с буквальным щелчком переключателя.

Чтобы внести ясность: аккумуляторная батарея не может регулировать человеческие гены in vivo. На данный момент это работает только для лабораторных генов, встроенных в живые клетки. Тем не менее, интерфейс уже оказал влияние. В ходе проверки концепции ученые имплантировали генетически модифицированные человеческие клетки мышам с диабетом 1 типа. Эти клетки обычно молчат, но могут выкачивать инсулин при активации электрическим разрядом.

Команда использовала иглы для акупунктуры, чтобы воздействовать на триггер в течение 10 секунд в день, и уровень сахара в крови у мышей вернулся к норме в течение месяца. Грызуны даже восстановили способность контролировать уровень сахара в крови после обильного приема пищи без необходимости введения внешнего инсулина, что обычно является трудной задачей.

Эти интерфейсы, называемые «электрогенетикой», все еще находятся в зачаточном состоянии. Но команда особенно воодушевлена ​​их потенциалом в области носимых устройств, которые могут напрямую направлять терапию метаболических и, возможно, других расстройств. По их словам, поскольку установка требует очень мало энергии, три батарейки типа АА могут обеспечить ежедневную дозу инсулина в течение более пяти лет.

Это последнее исследование, в котором аналоговые элементы управления организмом (экспрессия генов) соединяются с цифровым и программируемым программным обеспечением, таким как приложения для смартфонов. Эта система — это «шаг вперед, представляющий собой недостающее звено, которое позволит носимым устройствам контролировать гены в не столь отдаленном будущем», — заявили в команде.

Экспрессия генов работает по аналогу. ДНК имеет четыре генетические буквы (A, T, C и G), которые напоминают компьютерные 0 и 1. Однако генетический код не может строить и регулировать жизнь, если он не транслируется в белки. В процессе, называемом экспрессией генов, участвуют десятки биомолекул, каждая из которых контролируется другими. «Обновления» любых генетических цепей обусловлены эволюцией, которая, как известно, происходит в очень длительных временных масштабах. Несмотря на свою мощь, учебник по биологии не совсем эффективен.

Займитесь синтетической биологией. Поле собирает новые гены и подключается к клеткам, чтобы сформировать или перемонтировать сложные схемы, используя логику машин. Ранние эксперименты показали, что синтетические цепи могут контролировать биологические процессы, которые обычно приводят к раку, инфекциям и боли. Но для их активации часто требуются молекулы в качестве триггера — антибиотики, витамины, пищевые добавки или другие молекулы — удерживая эти системы в сфере аналоговых биологических вычислений.

Нейронные интерфейсы уже преодолели разрыв между нейронными сетями (аналоговыми вычислительными системами) и цифровыми компьютерами. Можем ли мы сделать то же самое для синтетической биологии?

Решением команды является технология регулирования постоянного тока, или DART.

Вот как работает установка. В основе лежат активные формы кислорода (АФК), часто называемые злодеями, вызывающими старение и износ тканей. Однако наш организм обычно производит эти молекулы в ходе метаболического процесса.

Чтобы свести к минимуму повреждение молекул, у нас есть природный белковый биосенсор для измерения уровня АФК. Биосенсор тесно взаимодействует с белком NRF2. Пара обычно тусуется в липкой части клетки, изолированной от большей части генетического материала. Когда уровень АФК возрастает до угрожающей скорости, сенсор высвобождает NRF2, который туннелирует в контейнер для хранения ДНК клетки — ядро ​​— чтобы включить гены, которые наводят порядок в АФК.