Учёные запрограммировали клетки на выполнение генетически направленных строительных проектов

Исследователи из Стэнфорда разработали технику, которая перепрограммирует клетки на использование предоставленных учёными синтетических материалов для построения искусственных структур, способных выполнять функции внутри организма.

«Мы превратили клетки в своего рода химических инженеров, которые используют предоставленные нами материалы для создания функциональных полимеров, изменяющих их поведение определённым образом», — сказал Карл Дайссерот, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук, соавтор работы.

В выпуске Science от 20 марта исследователи объясняют, как они разработали генетически направленную химическую сборку (GTCA) и использовали этот новый метод для построения искусственных структур на клетках мозга млекопитающих и на нейронах крошечного червя C. elegans. Структуры были созданы из двух разных биосовместимых материалов, каждый со своим электронным свойством: один материал был изолятором, другой — проводником.

Соавтор исследования Чжэньань Бао, профессор и заведующий кафедрой химической инженерии, отметил, что хотя текущие эксперименты были сосредоточены в основном на клетках мозга или нейронах, GTCA должна работать и с другими типами клеток. «Мы разработали технологическую платформу, которая может использовать биохимические процессы клеток по всему телу», — сказал Бао.

Исследователи начали с генетического перепрограммирования целевых клеток. Они использовали стандартные методы биоинженерии, чтобы доставить инструкции по добавлению фермента APEX2 в специфические нейроны.

Затем учёные поместили червей и другие экспериментальные ткани в раствор с двумя активными ингредиентами — крайне низкой, нелетальной дозой пероксида водорода (H₂O₂) и миллиардами молекул сырья, которое клетки должны были использовать для строительства.

Контакт между H₂O₂ и нейронами с ферментом APEX2 запустил серию химических реакций, которые соединили молекулы сырья в цепь — полимер, формируя сетчатый материал. Таким образом исследователи смогли «сплести» искусственные сети с изолирующими или проводящими свойствами только вокруг нужных нейронов.

Полимеры изменили свойства нейронов. В зависимости от того, какой полимер был сформирован, нейроны возбуждались быстрее или медленнее. Когда эти полимеры создавались в клетках C. elegans, ползательные движения червей изменялись противоположным образом.

В экспериментах с клетками млекопитающих исследователи провели аналогичные опыты по формированию полимеров на живых срезах мозга мышей и культивированных нейронах мозга крыс, подтвердив проводящие или изолирующие свойства синтезированных полимеров. Наконец, они ввели раствор H₂O₂ низкой концентрации вместе с миллионами молекул сырья в мозг живых мышей, чтобы убедиться в отсутствии токсичности этих элементов вместе.

«У нас есть не медицинское применение, а инструменты для исследований», — говорит Дайссерот. Эти инструменты можно использовать для изучения того, как рассеянный склероз, вызванный разрушением миелиновой изоляции нервов, может реагировать, если больные клетки удастся побудить к формированию изолирующих полимеров в качестве замены. Также можно исследовать, может ли формирование проводящих полимеров на неправильно работающих нейронах при аутизме или эпилепсии изменить течение этих состояний.

В перспективе исследователи хотели бы изучить варианты своей клеточно-направленной технологии. GTCA может использоваться для производства широкого спектра функциональных материалов, создаваемых с помощью различных химических сигналов. «Мы представляем целый мир возможностей на этой новой границе химии и биологии», — сказал Дайссерот.