コンポーネントは、ショッピングとスパの休暇の余韻のように聞こえます。単三電池 XNUMX 本です。 電気鍼がXNUMX本。 通常、電池式フェアリーライトに取り付けられる XNUMX つのプラスチック製ホルダー。 しかし、それらは一緒になって強力な刺激装置となり、家庭用電池を使用して細胞内の遺伝子発現を制御する新しいチャネルを開きます。
突飛なアイデアに思えますが、 新しい研究 in 自然代謝 今週はそれが可能であることを示した。 チューリッヒ工科大学とスイスのバーゼル大学のマーティン・フッセネッガー博士が率いる研究チームは、直流電気をバッテリーまたはポータブルバッテリーバンクの形で使用して、マウスのヒト細胞の遺伝子をオンにするシステムを開発した。文字通りスイッチを入れるだけで。
明確にしておきますが、バッテリーパックは調整できません インビボの 人間の遺伝子。 今のところ、生きた細胞に挿入された研究室で作られた遺伝子に対してのみ機能します。 しかし、インターフェースはすでに影響を及ぼしています。 概念実証テストで、科学者らは遺伝子操作されたヒト細胞を 1 型糖尿病のマウスに移植しました。 これらの細胞は通常は沈黙していますが、電気ザップで活性化するとインスリンを送り出すことができます。
研究チームは鍼を使って10日XNUMX秒間トリガーを与えたところ、マウスの血糖値はXNUMXカ月以内に正常に戻った。 げっ歯類は、通常は困難な外部インスリンを必要とせずに、大量の食事の後に血糖値を管理する能力さえ取り戻しました。
「電気遺伝学」と呼ばれるこれらのインターフェースはまだ初期段階にあります。 しかしチームは、代謝疾患や潜在的に他の疾患の治療法を直接導くウェアラブルの可能性に特に興奮している。 この設定に必要な電力は非常に少ないため、単三電池 XNUMX 本で XNUMX 年間以上、毎日のインスリン注射を開始できる可能性があると研究者らは述べています。
この研究は、体のアナログ制御（遺伝子発現）をスマートフォンアプリなどのデジタルおよびプログラム可能なソフトウェアと結び付ける最新の研究である。 このシステムは「それほど遠くない将来にウェアラブルによる遺伝子制御を可能にするミッシングリンクを象徴する飛躍的な進歩だ」と研究チームは述べている。
遺伝子制御の問題
遺伝子発現はアナログ的に機能します。 DNA には 0 つの遺伝文字 (A、T、C、G) があり、コンピューターの 1 と XNUMX を思い出させます。 しかし、遺伝コードはタンパク質に翻訳されない限り、生命を構築したり制御したりすることはできません。 遺伝子発現と呼ばれるこのプロセスでは、数十の生体分子が動員され、それぞれが他の分子によって制御されます。 あらゆる遺伝子回路の「更新」は進化によって引き起こされ、その進化は非常に長い時間スケールで作用します。 生物学のハンドブックは強力ではありますが、必ずしも効率的であるとは言えません。
合成生物学に参入します。 この分野では、新しい遺伝子を組み立て、細胞を利用して、機械のロジックを使用して複雑な回路を形成または再配線します。 初期の実験では、合成回路が通常は癌、感染症、痛みを引き起こす生物学的プロセスを制御できることが示されました。 しかし、それらを活性化するには、多くの場合、抗生物質、ビタミン、食品添加物、その他の分子などのトリガーとして、これらのシステムをアナログ生物学的コンピューティングの領域に保つ分子が必要です。
ニューラル インターフェイスは、アナログ コンピューティング システムであるニューラル ネットワークとデジタル コンピューターの間の溝をすでに埋めています。 合成生物学でも同じことができるでしょうか?
デジタル合成生物学
チームのソリューションは、DC 作動制御技術 (DART) です。
セットアップの仕組みは次のとおりです。 その中心となるのは、老化や組織の磨耗を引き起こす悪者として知られる活性酸素種 (ROS) です。 ただし、私たちの体は通常、代謝プロセス中にこれらの分子を生成します。
分子へのダメージを最小限に抑えるために、ROS レベルを測定する天然タンパク質バイオセンサーを備えています。 バイオセンサーは、NRF2 と呼ばれるタンパク質と密接に連携します。 カップルは通常、ほとんどの遺伝物質から隔離された細胞のネバネバした部分でたむろしています。 ROS レベルが驚くべき速度に上昇すると、センサーは NRF2 を放出します。NRFXNUMX は細胞の DNA 貯蔵容器である核にトンネルを作り、ROS の混乱を一掃する遺伝子を作動させます。
なぜそれが重要なのでしょうか? NRF2は、合成生物学を使用して他の遺伝子をオンにするように遺伝子操作できると著者らは説明した。 ロード 前の 示されました 電気 細胞が遺伝子制御のために安全なレベルで ROS を排出するようにトリガーできます。 言い換えれば、電気で細胞を刺激するとROSが放出され、NRF2「秘密エージェント」が活性化され、任意の遺伝子をオンにすることができます。
DART は、これまでの研究すべてを組み合わせて、電気的遺伝子制御のための高効率かつ低エネルギーのシステムを構築します。 電池はトリガー、ROS はメッセンジャー、NRF2 は遺伝子の「オン」スイッチです。
このシステムを構築するために、まずペトリ皿内のヒト細胞に遺伝子調整を施し、天然の細胞よりも多くのバイオセンサーとNRF2を発現させ、操作された細胞をROSレベルにより同調させた。
次にトリガーの設計に入りました。 ここでチームは、米国食品医薬品局（FDA）によってすでに承認されている電気鍼針を使用しました。 針に電力を供給するために、チームは単三電池、単四電池、またはボタン電池（後者は通常、ウェアラブル機器の内部にあります）の使用を検討し、人工細胞内のROSを刺激するのに十分な電圧を生成するさまざまな電池構成を測定しました。
ある試験では、暗緑色に光るタンパク質を指標として使用しました。 短時間の電気バーストで細胞をザッピングすると、ROS 分子が排出されました。 細胞のバイオセンサーが活性化し、今度はNRF2が放出され、緑色のタンパク質を発現する合成的に追加された遺伝子機構に捕らえられ、スイッチがオンになった。
電気トリガーは完全に可逆的であり、細胞は通常の健康な状態に「リセット」され、別の電気的ゴーアラウンドに耐えることができました。
「私たちは長い間、電気を使って遺伝子発現を直接制御したいと考えていました。 今、私たちはついに成功しました。」 と フュッセンネガー。
糖尿病に対するバッテリーの解決策?
勇気づけられたチームは、次に DART を使用してインスリン遺伝子を制御しようと試みました。 インスリンは血糖値の調節に不可欠ですが、糖尿病ではそのレベルが乱れます。 チームはこの分野に精通しており、 以前はエンジニアリング 電圧変化に応じてインスリンを送り出すデザイナーセル。
研究チームは、DART を使用して、インスリン生成遺伝子をヒト細胞に遺伝子操作し、電気刺激後の ROS 存在下でのみオンになるようにしました。 このセットアップはペトリ皿で完璧に機能し、細胞は電気でザッピングされ、その後ROSのシャワーを浴びた後にインスリンを放出しました。
次に、操作された細胞は臨床的に認可されたゼリー状物質にカプセル化され、1 型糖尿病マウスの背中の皮下に移植されました。 これらのマウスは通常、自分でインスリンを産生することができません。
DART コントローラーは比較的単純です。プラチナでコーティングされた 12 本の鍼は、単三電池 10 個で駆動され、移植された人工細胞をターゲットとする XNUMXV 電源スイッチに接続されています。 研究チームは対照として、移植した細胞から遠く離れたマウスに鍼を刺した。 各グループは XNUMX 日あたりわずか XNUMX 秒間ザッピングされました。
対照と比較して、わずか XNUMX 週間で、電気発生治療は有望であることがわかりました。 マウスはダイエットによる低血糖とうまく戦うことができ、最終的には正常な血糖値に戻りました。 彼らはまた、食後の血糖値を調節することにも熟達しており、糖尿病患者にとってインスリンを使用しないとこれは困難である。 他の代謝対策も改善されました。
次のステップは、インプラントに使用される遺伝子組み換え細胞の必要性を、より臨床的に実行可能なソリューションに置き換える方法を見つけることです。
しかし、著者らにとって、DART は生体をデジタル領域にさらに橋渡しするためのロードマップを表しています。 DART コントロールを細胞内の幅広いバイオ医薬品にリンクすることは簡単なはずです。 さらなる最適化により、これらの電気遺伝学的インターフェースは「将来のさまざまな遺伝子および細胞ベースの治療に大きな期待が持てる」と著者らは述べている。
画像のクレジット： ペギーウントマルコラックマンアンケ から Pixabay
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