See on kõige elementaarsem viis teada saada, mida miski teeb, olgu selleks siis märgistamata kaitselüliti või tuvastamata geen – pöörake selle lülitit ja vaadake, mis juhtub. Uus kaugjuhtimistehnoloogia võib pakkuda bioloogidele võimsat viisi, kuidas seda rakkude ja geenidega teha. Rockefelleri ülikooli ja Rensselaeri polütehnilise instituudi meeskond töötab välja süsteemi, mis võimaldaks elusloomade bioloogilisi sihtmärke kaugjuhtida – kiiresti, ilma juhtmete, implantaatide ja ravimiteta.
Avaldatud ajakirjas Nature Medicine, töörühm kirjeldab elektromagnetlainete edukat kasutamist insuliini tootmise sisselülitamiseks, et alandada diabeetiliste hiirte veresuhkrut. Nende süsteem ühendab loodusliku rauda salvestava osakese, ferritiini, et aktiveerida ioonikanal nimega TRPV1, nii et kui metalliosake puutub kokku raadiolaine või magnetväljaga, avab see kanali, mis viib insuliini tootva geeni aktiveerimiseni. Need kaks valku toimivad koos nanomasinana, mida saab kasutada rakkudes geeniekspressiooni käivitamiseks.
"Meetod võimaldab juhtmevab alt juhtida geenide ekspressiooni elusloomal ja seda võib potentsiaalselt kasutada selliste seisundite puhul nagu hemofiilia, et kontrollida puuduva valgu tootmist. Kaks peamist atribuuti on see, et süsteem on geneetiliselt kodeeritud ja suudab rakke kaugjuhtimisega ja kiiresti aktiveerida, " ütleb Jeffrey Friedman, Marilyn M. Simpson, Rockefelleri molekulaargeneetika labori juhataja. "Nüüd uurime, kas seda meetodit saab kasutada ka närvitegevuse kontrollimiseks närviahelate aktiivsuse mitteinvasiivse moduleerimise vahendina." Friedman ja tema Rensselaeri kolleeg Jonathan S. Dordick olid projekti kaasuurijad.
Elusloomade rakkude aktiivsuse või geenide ekspressiooni kaugjuhtimiseks on olemas ka teisi tehnikaid. Kuid neil on piirangud. Süsteemid, mis kasutavad valgust sisse- ja väljalülitussignaalina, nõuavad püsivaid implantaate või on tõhusad ainult naha lähedal, ja need, mis põhinevad ravimitel, võivad aeglaselt sisse ja välja lülituda.
Uus süsteem, mida nimetatakse radiogeneetikaks, kasutab ferritiiniosakeste kuumutamiseks või liigutamiseks signaali, antud juhul madalsageduslikke raadiolaineid või magnetvälja. Need omakorda kutsuvad esile TRPV1 avanemise, mis asub rakku ümbritsevas membraanis. Seejärel liiguvad k altsiumiioonid läbi kanali, lülitades sisse sünteetilise DNA tüki, mille teadlased töötasid välja, et käivitada allavoolu geeni tootmine, milleks selles uuringus oli insuliinigeen.
Varasemas uuringus kasutasid teadlased sisselülitussignaalina ainult raadiolaineid, kuid praeguses uuringus testisid nad insuliini tootmise aktiveerimiseks ka seotud signaali – magnetvälja. Nad leidsid, et sellel on raadiolainetega sarnane mõju.
"Raadiosagedusel juhitava magnetvälja kasutamine on suur edasiminek geenide kaugekspressioonis, kuna see on mitteinvasiivne ja kergesti kohandatav," ütleb Dordick, kes on Howard P. Isermann keemia- ja bioloogiatehnika professor. Rensselaeri teadusuuringute asepresident. "Ei pea midagi sisestama – ei juhtmeid ega valgussüsteeme –, geenid sisestatakse geeniteraapia abil. Teil võiks olla kantav seade, mis annab teatud kehaosadele magnetvälja ja mida saaks terapeutiliselt kasutada paljude jaoks. haigused, sealhulgas neurodegeneratiivsed haigused. Praegu on see piiramatu."
Insuliini tootmist vaadeldava valiku ajendas seadmed, mida nad kasutasid raadiolainete ja magnetväljade genereerimiseks. Kuna mähis, mis neid signaale genereerib, on hetkel väike st; vaid kolme sentimeetrise läbimõõduga, oli vaja hiired tuimestada, et nad paigal püsiksid. Kuna anesteesia võib pärssida insuliini, veresuhkrut alandava hormooni, tootmist, töötas Stanley ja tema kolleegid välja geneetiliselt kodeeritud süsteemi, mis asendaks insuliini, mida tavaliselt anesteesia hiirtel vähendab.
"Ferritiini, valguga kaetud raua säilitamise molekuli, leidub tavaliselt kogu hiire- ja inimkehas, kuid oma katsetes muutsime seda, asetades ferritiini osakesed erinevatesse kohtadesse, et näha, kas saaksime oma tulemusi parandada.,“ütleb kaasautor Sarah Stanley, Friedmani labori vanemteadur. "Leidsime, et kõige tõhusam on ferritiini sidumine kanaliga."
Meeskonna positiivsed tulemused viitavad teistele süsteemi rakendustele. Septembri lõpus sai Stanley esimese ringi BRAIN-stipendiumi ambitsioonik alt föderaalselt algatusel, mille eesmärk oli luua dünaamiline aju kaart. Stanley ja tema kolleegid kavatsevad kohandada seda süsteemi neuronite sisse- ja väljalülitamiseks ning seega uurida nende rolli ajus.
"Käesolevas uuringus näitasime, et TRPV1 kanali avamisega, et k altsiumioonid saaksid rakku siseneda, saame sisse lülitada geeni. Kuna neuroneid võivad k altsiumi ja muud positiivselt laetud ioonid depolariseerida, nagu need, mida TRPV1 kanal kontrollib, loodame, et see süsteem võib olla tõhus närvitegevuse reguleerimisel."
