Группа исследователей разработала активируемый светом переключатель, который может включать и выключать гены в клетках млекопитающих. Это наиболее эффективный так называемый «оптогенетический переключатель», активируемый красным и дальним красным светом, который был успешно разработан и испытан на клетках животных, и он не требует добавления чувствительных молекул извне клеток.
Световой генетический переключатель можно использовать для включения и выключения генов в генной терапии; отключить экспрессию генов в будущих методах лечения рака; и помочь отследить и понять функцию генов в определенных местах человеческого тела.
Команда, возглавляемая биоинженерами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, недавно подробно описала свои выводы онлайн в ACS Synthetic Biology.
«Возможность контролировать гены глубоко в организме в определенном месте и в определенное время без добавления внешних элементов - это цель, к которой давно стремилось наше сообщество», - сказал Тодд Коулман, профессор биоинженерии в Инженерной школы Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего и одним из авторов статьи. «Мы контролируем гены с наиболее желаемой длиной световой волны».
Успех исследователей в создании переключателя основывался на двух выводах. Во-первых, в клетках животных нет механизма, который поставляет электроны для создания молекул, чувствительных к красному свету. Это равносильно тому, что у вас есть фен и розетка из другой страны, но нет шнура питания и сетевого адаптера. Поэтому исследователи под руководством постдокторанта Калифорнийского университета в Сан-Диего Филиппа Кириакакиса приступили к их созданию.
Для шнура питания они использовали бактериальный и растительный ферредоксин, белок железа и серы, который вызывает перенос электронов в ряде реакций. Ферредоксин существует в другой форме в клетках животных, что несовместимо с его родственником из растений и бактерий. Таким образом, фермент под названием ферредоксин-НАДФ-редуктаза, или ФНР, играл роль выходного адаптера.
В результате клетки животных теперь могли передавать достаточное количество электронов из своего источника энергии другим ферментам, которые могут производить светочувствительные молекулы, необходимые для активируемого светом переключателя.
Второе понимание заключалось в том, что система для создания светочувствительных молекул должна быть помещена в митохондрии клетки, энергетическую фабрику клетки. Объединив эти два открытия, исследователи смогли создать растительную систему для управления генами с красным светом внутри клеток животных.
Красный свет является безопасным вариантом для активации генетических переключателей, поскольку он легко проходит через тело человека. Простой способ продемонстрировать это - положить руку на фонарик вашего смартфона, пока он включен. Красный свет, но не другие цвета, будет сиять, потому что тело не поглощает его. И поскольку он не всасывается, он может безвредно проходить через ткани и проникать глубоко в тело, чтобы контролировать гены.
Биоинженеры построили и запрограммировали маленькое компактное настольное устройство, чтобы активировать переключатель с красным и дальним красным светом. Инструмент позволяет исследователям контролировать продолжительность свечения света, вплоть до миллисекунды. Это также позволяет им нацеливаться на очень конкретные места. Исследователи показали, что гены, включенные переключателем, оставались активными в течение нескольких часов в некоторых клеточных линиях млекопитающих даже после короткого светового импульса.
Команда недавно получила внутренний грант кампуса на использование метода для контроля активации генов в определенных областях мозга. Это позволило бы им лучше понять функцию генов при различных неврологических расстройствах.
Исследователи запатентовали использование ферредоксинов и FNR для воздействия на ферменты, необходимые для создания молекул, активируемых светом. Технология доступна для лицензирования.
Важно отметить, что идеи о том, как производить растительные молекулы в клетках животных, также могут однажды позволить производить другие молекулы, которые могут привести к выращиванию растений, не нуждающихся в удобрениях, и сделать производство биотоплива более эффективным.