Инженеры создали самый эффективный красный светоактивируемый оптогенетический переключатель для клеток млекопитающих
Исследователи разработали светоактивируемый переключатель, способный включать и выключать гены в клетках млекопитающих. Это самый эффективный на сегодняшний день «оптогенетический переключатель», активируемый красным и ближним инфракрасным светом, который был успешно создан и протестирован в животных клетках. При этом он не требует добавления внешних сенсорных молекул.
Такой переключатель можно использовать для контроля генов в генной терапии, для отключения экспрессии генов в терапии рака, а также для отслеживания и изучения функции генов в конкретных участках организма.
Команда биоинженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего опубликовала результаты в журнале ACS Synthetic Biology.
«Возможность контролировать гены глубоко в теле, в конкретном месте и в конкретное время, без добавления внешних элементов, — это давняя цель нашего научного сообщества», — отметил Тодд Коулман, один из авторов работы.
Успех разработки основывался на двух ключевых идеях:
«Адаптер питания» для клеток. Животные клетки не имеют механизмов для поставки электронов, необходимых для создания молекул, чувствительных к красному свету. Исследователи во главе с Филлипом Кирикакисом решили эту проблему, использовав:
- Ферредоксин из бактерий и растений (железосерный белок, переносящий электроны) в качестве «кабеля питания».
- Ферредоксин-НАДФ-редуктазу (FNR) в качестве «адаптера», позволяющего ферредоксину работать в системе животной клетки.
Локализация в «энергостанции» клетки. Вся система производства светочувствительных молекул была размещена в митохондриях — главных энергетических фабриках клетки.
Благодаря этому удалось воссоздать растительную систему контроля генов красным светом внутри животных клеток.
Преимущество красного света в его способности легко проникать через ткани человека, не поглощаясь и не причиняя вреда. Это позволяет потенциально воздействовать на гены глубоко в организме.
Для активации переключателя инженеры создали компактное настольное устройство, которое может излучать красный и дальний красный свет с точностью до миллисекунды и нацеливаться на конкретные области. Эксперименты показали, что после короткого светового импульса активированные гены остаются «включенными» в нескольких линиях клеток млекопитающих в течение нескольких часов.
Команда уже получила грант на применение метода для контроля активации генов в специфических областях мозга, что поможет в изучении неврологических заболеваний.
Технология использования ферредоксина и FNR для нацеливания на ферменты, производящие светочувствительные молекулы, запатентована и доступна для лицензирования. Полученные знания о производстве растительных молекул в животных клетках также могут в будущем помочь в создании растений, не требующих удобрений, и повышении эффективности производства биотоплива.