Geny można kontrolować za pomocą elektryczności

Naukowcy opracowali prototyp implantu, który pozwala kontrolować ekspresję genów i produkcję hormonów poprzez stymulację elektryczną. Ekspresja genu to proces, w którym informacja genetyczna zostaje odczytana i na jej podstawie wytwarzane są białka lub różne formy RNA. Eksperci są przekonani, że wraz z dalszym rozwojem, technologia pozwoli tworzyć urządzenia, które pomogą w leczeniu wielu chorób, w tym m.in. cukrzycy typu pierwszego.

Większość genów działa jak instrukcje obsługi, które pokazują komórkom, jak wytwarzać konkretne białka. Prawie każda komórka w ciele zawiera kopię wszystkich naszych genów, ale większość jest wyciszona i tylko niektóre są aktywne.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Jednym ze sposobów, w jaki organizm decyduje, które geny ulegają ekspresji, jest oznaczanie sekwencji DNA związkami chemicznymi. Jednak geny włączone lub wyłączone w nieodpowiednich momentach, mogą powodować choroby. Dlatego wielu badaczy szuka sposobów na ręczną kontrolę wyrażania genów w komórkach.

– Od dawna chcemy bezpośrednio kontrolować ekspresję genów za pomocą energii elektrycznej. Teraz w końcu nam się to udało – mówi główny autor odkrycia Martin Fussenger z Politechniki Federalnej w Zurychu.

Naukowcy badają wiele różnych możliwości wpływania na ekspresję genów. Wykorzystują do tego leki, światło, edycję genów za pomocą techniki CRISPR-Cas9, a teraz też elektryczność. Pierwsze skuteczne próby konstrukcji podobnego implantu miały miejsce jeszcze w 2020 roku. Jednak wtedy, aby wyprodukować insulinę potrzebny był prąd o wysokim napięciu i mnóstwo czasu.

Teraz zespołowi ze Szwajcarii udało się opracować bezpieczniejszy i wydajniejszy sposób wyzwalania ekspresji genów. Artykuł na ten temat ukazał się w "Nature Metabolism" (DOI: 10.1038/s42255-023-00850-7).

W nowych badaniach szwajcarscy naukowcy próbowali zachęcić komórki do produkcji insuliny. W tym celu wszczepili do organizmów myszy żelową kapsułkę zawierającą komórki trzustki. Zostały one zmodyfikowane tak, aby stymulacja elektryczna wyzwalała w nich ekspresję genu potrzebnego do wytwarzania insuliny. Komórki te przechodzą reakcję łańcuchową w odpowiedzi na reaktywne formy tlenu — niestabilne rodniki zawierające tlen, wytwarzane po przyłożeniu prądu — która ostatecznie aktywuje potrzebny gen.

Para igieł do akupunktury umieszczona w skórze dostarcza do komórek prąd o niskim napięciu z zestawu baterii noszonego na zewnątrz. Badania udowodniły, że wystarczy 10 sekund takiej stymulacji dziennie, aby ustabilizować poziom cukru we krwi myszy.

Badanie stanowi dowód na słuszność koncepcji. Jest duża szansa, że uda się przełożyć wyniki tych badań na ludzi. Przypuszczalnie ludzie chorzy na cukrzycę potrzebowaliby znacznie więcej zmodyfikowanych komórek, aby wyprodukować wystarczającą ilość insuliny niezbędną do leczenia.

Naukowcy zapowiadają dalsze prace, które mają ostatecznie doprowadzić do skonstruowania implantów dla cukrzyków, ale też osób cierpiących na inne choroby. Być może uda się opracować implanty czy terapie do zwalczania chorób genetycznych poprzez włączanie i wyłączanie określonych genów, umożliwiając im dostarczanie kluczowych białek.

W przypadku osób cierpiących na cukrzycę typu pierwszego, które nie wytwarzają lub wytwarzają za mało kluczowego hormonu odpowiedzialnego za kontrolę poziomu cukru we krwi, zdolność do stymulacji komórek do produkcji insuliny na żądanie może pomóc uniknąć hiperglikemii, kiedy poziom cukru we krwi staje się niebezpiecznie wysoki.

"Wierzymy, że szybka, bezelektroniczna, bezpośrednia i niskonapięciowa kontrola genów w komórkach, zasilana bateryjnie, to krok naprzód, stanowiący brakujące ogniwo, które umożliwi implantom kontrolowanie genów w nieodległej przyszłości" – napisali badacze w swoim artykule.

Źródło: Free Think, Science, fot. PxFuel