Возможность вставлять желаемые гены в клетки животных или человека является основой современных исследований в области биологических наук и широко распространенных биомедицинских приложений. Методы, используемые до сих пор для этой цели, в основном неспецифичны, что затрудняет для ученых контроль над тем, какая клетка будет или не будет принимать ген. Для этого переноса генов целевые гены часто упаковываются в «вирусные векторы». Это вирусы, в которых часть генетического материала заменена целевыми генами. Когда исследователи добавляют эти вирусные векторы в клетки, эти векторы вводят в клетки гены. Это принцип, лежащий в основе некоторых современных вакцин против SARS-CoV-2, таких как вакцины от AstraZeneca или Johnson & Johnson. Однако трудно - даже невозможно - контролировать, в какие клетки попадают гены-мишени, поскольку вирусные векторы имеют тенденцию неспецифически пристыковываться ко всем клеткам определенного типа клеток. Группа исследователей из Кластера передового опыта CIBSS - Центра интегративных биологических сигнальных исследований при Фрайбургском университете под руководством доктора Максимилиана Хорнера, профессора доктора Вольфганга Шамеля и профессора доктора Вильфрида Вебера разработала новую технологию, которая позволяет им вводить целевые гены контролируемым образом и тем самым контролировать процессы в отдельных выбранных клетках. Исследователи опубликовали результаты своей работы в текущем выпуске журнала Science Advances..
Изменение вирусного вектора
В своем новом методе исследователи из Фрайбурга вводят генетическую информацию с помощью оптического пульта дистанционного управления. В результате только клетки, освещенные красным светом, принимают нужные гены. Для этого ученые модифицировали тип вирусного вектора, известного как вектор AAV, который уже используется в клинической практике. «Мы лишили вирусный вектор способности стыковаться с клетками, - объясняет Хёрнер, - что является важным шагом перед введением генетического материала».
Чтобы обеспечить этот контроль с помощью света, исследователи взяли фоторецепторную систему красного света из растения Arabidopsis thaliana (кресс-салат). Эта система состоит из двух белков, PhyB и PIF, которые связываются друг с другом, как только PhyB освещается красным светом. Команда из Фрайбурга поместила белок PIF на поверхность вирусного вектора и модифицировала другой белок PhyB, чтобы он мог связываться с клетками человека. Как только этот модифицированный вектор, называемый OptoAAV, оказывается в клеточной культуре вместе с клеточно-связывающим белком, этот белок связывается со всеми клетками. «Если выбранная клетка теперь освещается красным светом, модифицированный вектор может связываться с этой клеткой и вводить гены-мишени в освещенную клетку», - объясняет Хёрнер.
Ключевой аспект исследования биологических сигналов
Этот новый подход позволяет исследователям вводить целевые гены в нужные клетки в культуре ткани. Ученым также удалось последовательно осветить культуру ткани в разных местах, что позволило целенаправленно ввести разные гены в разные клетки в культуре. С помощью этой техники теперь можно контролировать желаемые процессы в отдельных клетках. Это важно для понимания того, как отдельная клетка взаимодействует с клетками в своем окружении, например, для управления развитием или регенерацией органа. «Поскольку эти вирусные векторы становятся все более широко используемыми в терапевтической области, - говорит Вебер, - мы считаем, что эта новая технология может сделать такие биомедицинские приложения более точными».
Cluster of Excellence CIBSS - Центр интегративных биологических сигнальных исследований
Исследователи Кластера передового опыта CIBSS - Центра интегративных исследований биологических сигналов при Фрайбургском университете изучают фундаментальные коммуникативные процессы, определяющие многоклеточную жизнь людей, животных и растений. Таким образом, они стремятся получить комплексное понимание биологических сигнальных процессов более высокого уровня, чтобы разработать индивидуальные молекулярные инструменты с использованием методов синтетической и химической биологии для точного управления сигнальными процессами. Таким образом, исследователи стремятся разработать стратегии лечения рака с помощью иммунотерапии или ресурсосберегающего выращивания сельскохозяйственных культур, среди прочего. Максимилиан Хёрнер и Вольфганг Шамель - лидеры группы Cluster of Excellence, Вильфрид Вебер - член группы спикеров.