Ученые программируют клетки для выполнения генно-управляемых строительных проектов

Исследователи из Стэнфорда разработали методику перепрограммирования клеток для использования синтетических материалов, предоставленных учеными, для создания искусственных структур, способных выполнять различные функции внутри тела.

«Мы превратили клетки в инженеров-химиков, которые используют материалы, которые мы предоставляем, для создания функциональных полимеров, которые меняют свое поведение особым образом», – сказал Карл Дайссерот, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук, который был одним из руководителей этой работы.

На изображении сверху золотой цвет иллюстрирует отложение биосовместимых полимеров на двух генетически направленных нейронах справа. Селективное осаждение этих полимеров, которые могут быть электрически изолирующими или проводящими, позволяет модулировать свойства клеток-мишеней в живых тканях и животных. Частицы голубого алмаза представляют собой мономеры, которые заставляют полимер диффундировать через ткань. Технология позволяет полимерам формироваться только в целевых клетках. 

В выпуске Science  исследователи объясняют, как они разработали генетически направленную химическую сборку (GTCA) и использовали новый метод для создания искусственных структур на клетках мозга млекопитающих и на нейронах в крошечном черве, называемом C. elegans. Структуры были изготовлены с использованием двух разных биосовместимых материалов, каждый из которых обладает разными электронными свойствами. Один материал был изолятором, другой проводником.

Сопредседатель исследования Женан Бао, сказал, что, хотя текущие эксперименты были сосредоточены главным образом на клетках мозга или нейронах, GTCA также должна работать с клетками других типов. «Мы разработали технологическую платформу, которая может задействовать биохимические процессы клеток во всем теле», – сказал Бао.

Исследователи начали с генетического перепрограммирования клеток, на которые они хотели воздействовать. Они сделали это, используя стандартные методы биоинженерии для предоставления инструкций по добавлению фермента, называемого APEX2, в конкретные нейроны.

Затем ученые погрузили червей и другие экспериментальные ткани в раствор с двумя активными ингредиентами – чрезвычайно низкой, несмертельной дозой перекиси водорода и миллиардами молекул сырья, которое они хотели, чтобы клетки использовали для своих строительных проектов.

Контакт между перекисью водорода и нейронами с ферментом APEX2 вызвал серию химических реакций, в результате которых молекулы сырья слились в цепочку, известную как полимер, с образованием сетчатого материала. Таким образом, исследователи смогли сплести искусственные сети с изоляционными или проводящими свойствами только вокруг нужных нейронов.

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

В экспериментах с клетками млекопитающих исследователи проводили аналогичные эксперименты по формированию полимеров на живых срезах из мозга мыши и на культивируемых нейронах из мозга крысы и проверяли проводящие или изолирующие свойства синтезированных полимеров. Наконец, они вводили раствор перекиси водорода с низкой концентрацией вместе с миллионами молекул сырья в мозг живых мышей, чтобы убедиться, что эти элементы не были токсичными вместе.

Эти инструменты могут быть использованы для изучения того, как рассеянный склероз, вызванный разрушением миелиновой изоляции вокруг нервов, может реагировать, если больные клетки могут индуцироваться с образованием изолирующих полимеров в качестве замены. Исследователи могли бы также исследовать, могут ли изменения в этих условиях формировать проводящие полимеры на невосприимчивых нейронах при аутизме или эпилепсии.

В дальнейшем исследователи хотели бы изучить варианты своих технологий, ориентированных на клетки. GTCA может использоваться для производства широкого спектра функциональных материалов, реализуемых различными химическими сигналами. «Мы представляем целый мир возможностей на этом новом интерфейсе химии и биологии», – сказал Дайссерот.

Ссылки:

«Генетически направленная химическая сборка функциональных материалов в живых клетках, тканях и животных», Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aay4866

«Нейрон-ориентированная электрическая модуляция», Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.abb0216