전기유전학 연구에서 언젠가는 웨어러블로 유전자를 제어할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

구성 요소는 쇼핑과 스파 휴양의 여파처럼 들립니다. 3개의 AA 배터리입니다. 전기침 2개. 일반적으로 배터리로 작동되는 꼬마등에 부착되는 플라스틱 홀더 1개. 그러나 이 둘은 함께 가정용 배터리를 사용하여 세포의 유전자 발현을 제어하는 ​​강력한 자극 장치로 통합됩니다.

이 아이디어는 터무니없는 것처럼 보이지만 이번 주 Nature Metabolism에 대한 새로운 연구에서는 그것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 취리히 공과대학(ETH Zurich)과 스위스 바젤 대학(University of Basel)의 마틴 푸센네거(Martin Fussenegger) 박사가 이끄는 연구팀은 배터리나 휴대용 배터리 뱅크 형태의 직류 전기를 사용하여 생쥐의 인간 세포에서 유전자를 켜는 시스템을 개발했습니다. 말 그대로 스위치를 켜는 것입니다.

분명히 말하면, 배터리 팩은 생체 내 인간 유전자를 조절할 수 없습니다. 현재로서는 살아있는 세포에 삽입된 실험실에서 만든 유전자에만 작동합니다. 그러나 인터페이스는 이미 영향을 미쳤습니다. 개념 증명 테스트에서 과학자들은 유전적으로 조작된 인간 세포를 제1형 당뇨병이 있는 쥐에 이식했습니다. 이 세포는 일반적으로 침묵하지만 전기 충격으로 활성화되면 인슐린을 펌핑할 수 있습니다.

연구팀은 침을 사용해 하루 10초 동안 방아쇠를 전달했고, 쥐의 혈당 수치는 한 달 안에 정상으로 돌아왔다. 설치류는 일반적으로 어려운 일인 외부 인슐린 없이도 과식 후 혈당 수치를 관리하는 능력도 회복했습니다.

"전기유전학"이라고 불리는 이러한 인터페이스는 아직 초기 단계입니다. 그러나 팀은 대사 및 잠재적으로 다른 장애에 대한 치료법을 직접적으로 안내할 수 있는 웨어러블 분야의 잠재력에 특히 기대하고 있습니다. 설정에는 전력이 거의 필요하지 않기 때문에 3개의 AA 배터리로 5년 이상 매일 인슐린 주사를 촉발할 수 있다고 그들은 말했습니다.

이 연구는 신체의 아날로그 제어(유전자 발현)를 스마트폰 앱과 같은 디지털 및 프로그래밍 가능 소프트웨어와 연결한 최신 연구입니다. 이 시스템은 “그리 멀지 않은 미래에 웨어러블 기기가 유전자를 제어할 수 있도록 하는 잃어버린 고리를 나타내는 도약”이라고 팀은 말했습니다.

유전자 발현은 유사하게 작동합니다. DNA에는 컴퓨터의 0과 1을 연상시키는 4개의 유전 문자(A, T, C, G)가 있습니다. 그러나 유전암호는 단백질로 번역되지 않는 한 생명을 만들고 조절할 수 없습니다. 유전자 발현이라고 불리는 이 과정은 수십 개의 생체분자를 모집하며, 각 생체분자는 다른 분자에 의해 제어됩니다. 모든 유전 회로에 대한 "업데이트"는 진화에 의해 주도되며, 이는 악명 높은 장기간에 걸쳐 작동합니다. 생물학 플레이북은 강력하기는 하지만 그다지 효율적이지는 않습니다.

합성 생물학을 입력하십시오. 이 분야는 새로운 유전자를 조립하고 세포를 활용하여 기계 논리를 사용하여 복잡한 회로를 형성하거나 재배선합니다. 초기 실험에서는 합성 회로가 일반적으로 암, 감염 및 통증을 유발하는 생물학적 과정을 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이를 활성화하려면 항생제, 비타민, 식품 첨가물 또는 기타 분자와 같은 분자를 트리거로 사용하여 이러한 시스템을 아날로그 생물학적 컴퓨팅 영역에서 유지해야 하는 경우가 많습니다.

신경 인터페이스는 이미 아날로그 컴퓨팅 시스템인 신경망과 디지털 컴퓨터 간의 격차를 해소했습니다. 합성생물학에서도 같은 일을 할 수 있을까요?

팀의 솔루션은 DC 작동 조절 기술(DART)입니다.

설정 작동 방식은 다음과 같습니다. 핵심에는 노화와 조직 마모를 유발하는 악당으로 알려진 활성산소종(ROS)이 있습니다. 그러나 우리 몸은 일반적으로 대사 과정에서 이러한 분자를 생성합니다.

분자 손상을 최소화하기 위해 우리는 ROS 수준을 측정하는 천연 단백질 바이오센서를 보유하고 있습니다. 바이오센서는 NRF2라는 단백질과 긴밀하게 작동합니다. 부부는 일반적으로 대부분의 유전 물질로부터 분리된 세포의 끈끈한 부분에서 놀고 있습니다. ROS 수준이 놀라운 속도로 상승하면 센서는 NRF2를 방출합니다. NRF2는 세포의 DNA 저장 용기인 핵으로 터널링하여 ROS 혼란을 정리하는 유전자를 활성화합니다.

그것이 왜 중요합니까? NRF2는 합성 생물학을 사용하여 다른 유전자를 활성화하도록 유전적으로 조작될 수 있다고 저자는 설명했습니다. 많은 이전 연구에서는 전기가 세포가 유전자 제어를 위한 안전한 수준에서 ROS를 펌핑하도록 촉발할 수 있음을 보여주었습니다. 즉, 전기로 세포를 자극하면 ROS가 방출될 수 있으며, ROS는 NRF2 "비밀 요원"을 활성화하여 원하는 유전자를 뒤집을 수 있습니다.