Los componentes suenan como las secuelas de un retiro de compras y spa: tres baterías AA. Dos agujas de acupuntura eléctricas. Un soporte de plástico que generalmente se adjunta a las luces de hadas que funcionan con baterías. Pero juntos se fusionan en un poderoso dispositivo de estimulación, abriendo un nuevo canal que utiliza baterías domésticas para controlar la expresión génica en las células.

La idea parece descabellada, pero un nuevo estudio in Metabolismo de la naturaleza esta semana demostró que es posible. El equipo, dirigido por el Dr. Martin Fussenegger en ETH Zurich y la Universidad de Basilea en Suiza, desarrolló un sistema que utiliza electricidad de corriente continua, en forma de baterías o bancos de baterías portátiles, para activar un gen en células humanas en ratones. con un movimiento literal de un interruptor.

Para ser claros, la batería no puede regular in vivo genes humanos Por ahora, solo funciona para genes creados en laboratorio insertados en células vivas. Sin embargo, la interfaz ya ha tenido un impacto. En una prueba de concepto, los científicos implantaron células humanas modificadas genéticamente en ratones con diabetes tipo 1. Estas células normalmente son silenciosas, pero pueden bombear insulina cuando se activan con una descarga eléctrica.

El equipo usó agujas de acupuntura para administrar el gatillo durante 10 segundos al día, y los niveles de azúcar en la sangre de los ratones volvieron a la normalidad en un mes. Los roedores incluso recuperaron la capacidad de controlar los niveles de azúcar en la sangre después de una gran comida sin necesidad de insulina externa, una hazaña normalmente difícil.

Llamadas "electrogenética", estas interfaces aún están en pañales. Pero el equipo está especialmente entusiasmado por su potencial en dispositivos portátiles para guiar directamente la terapia para trastornos metabólicos y potencialmente otros. Debido a que la configuración requiere muy poca energía, tres baterías AA podrían activar una inyección de insulina diaria durante más de cinco años, dijeron.

El estudio es el último en conectar los controles analógicos del cuerpo (expresión genética) con software digital y programable, como aplicaciones para teléfonos inteligentes. El sistema es "un salto adelante, que representa el eslabón perdido que permitirá que los dispositivos portátiles controlen los genes en un futuro no muy lejano", dijo el equipo.

El problema con los controles genéticos

La expresión génica opera en forma análoga. El ADN tiene cuatro letras genéticas (A, T, C y G), que recuerdan a los 0 y 1 de una computadora. Sin embargo, el código genético no puede construir y regular la vida a menos que se traduzca en proteínas. El proceso, llamado expresión génica, recluta docenas de biomoléculas, cada una de las cuales está controlada por otras. Las "actualizaciones" de cualquier circuito genético están impulsadas por la evolución, que funciona en escalas de tiempo notoriamente largas. Si bien es poderoso, el libro de jugadas de biología no es exactamente eficiente.

Introduzca la biología sintética. El campo ensambla nuevos genes y aprovecha las células para formar o reconfigurar circuitos complejos utilizando la lógica de las máquinas. Los primeros experimentos demostraron que los circuitos sintéticos pueden controlar procesos biológicos que normalmente resultan en cáncer, infecciones y dolor. Pero activarlos a menudo requiere moléculas como disparador (antibióticos, vitaminas, aditivos alimentarios u otras moléculas) manteniendo estos sistemas en el ámbito de la computación biológica analógica.

Las interfaces neuronales ya han salvado la brecha entre las redes neuronales (un sistema informático analógico) y las computadoras digitales. ¿Podemos hacer lo mismo con la biología sintética?

Biología Sintética Digital

La solución del equipo es la tecnología de regulación accionada por CC, o DART.

Así es como funciona la configuración. En el núcleo se encuentran las especies reactivas de oxígeno (ROS), a menudo conocidas como el villano que impulsa el envejecimiento y el desgaste de los tejidos. Sin embargo, nuestros cuerpos normalmente producen estas moléculas durante el proceso metabólico.

Para minimizar el daño a las moléculas, tenemos un biosensor de proteína natural para medir los niveles de ROS. El biosensor trabaja en estrecha colaboración con una proteína llamada NRF2. La pareja normalmente pasa el rato en la parte pegajosa de la celda, aislada de la mayor parte del material genético. Cuando los niveles de ROS aumentan a un ritmo alarmante, el sensor libera NRF2, que hace un túnel en el contenedor de almacenamiento de ADN de la célula, el núcleo, para activar los genes que limpian el desorden de ROS.

¿Por qué eso importa? NRF2 se puede diseñar genéticamente para activar otros genes usando biología sintética, explicaron los autores. Una carga de anterior trabajo mostró electricidad puede hacer que las células bombeen ROS a un nivel seguro para el control genético. En otras palabras, estimular las células con electricidad podría liberar ROS, que luego activa el "agente secreto" NRF2 para activar cualquier gen de su elección.

DART combina todo este trabajo previo en un sistema altamente eficiente y de baja energía para el control de genes eléctricos. Las baterías son el disparador, ROS el mensajero y NRF2 el interruptor de "encendido" genético.

Para construir el sistema, las células humanas en placas de Petri primero recibieron una afinación genética para que expresaran más biosensor y NRF2 que sus contrapartes naturales, lo que a su vez hizo que las células modificadas estuvieran más en sintonía con los niveles de ROS.

Luego vino el diseño del gatillo. Aquí, el equipo usó agujas de acupuntura eléctricas ya aprobadas por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). Para alimentar las agujas, el equipo exploró el uso de baterías AA, AAA o de botón (estas últimas normalmente se encuentran dentro de los dispositivos portátiles) y midió diferentes configuraciones de batería que producían un voltaje suficiente para estimular ROS en las células diseñadas.

Un ensayo usó una proteína verde que brilla en la oscuridad como indicador. Zapping las células con breves ráfagas de electricidad bombeó moléculas ROS. Los biosensores de la célula se animaron y, a su vez, liberaron NRF2, que se aferró a la maquinaria genética agregada sintéticamente que expresa proteínas verdes y la encendió.

El disparador eléctrico fue completamente reversible, con las células "restableciendo" a condiciones normales y saludables y capaces de resistir otra vuelta eléctrica.

“Hace mucho tiempo que queríamos controlar directamente la expresión génica usando electricidad; ahora finalmente lo hemos logrado”, dijo Füssenegger.

¿Una solución de batería para la diabetes?

Animado, el equipo luego intentó usar DART para controlar el gen de la insulina. La insulina es esencial para regular el azúcar en la sangre y sus niveles se alteran en la diabetes. El equipo no es ajeno al campo, previamente ingenieria células de diseño que bombean insulina en respuesta a cambios de voltaje.

Usando DART, el equipo diseñó genéticamente genes productores de insulina en células humanas, que solo se activaron en presencia de ROS después de la estimulación eléctrica. La configuración funcionó perfectamente en las placas de Petri, con las células liberando insulina después de recibir electricidad y, posteriormente, bañarse en ROS.

Luego, las células diseñadas se encapsularon en una sustancia gelatinosa con licencia clínica y se implantaron debajo de la piel en la espalda de ratones con diabetes tipo 1. Estos ratones normalmente no pueden producir insulina por sí mismos.

El controlador DART es relativamente simple: dos agujas de acupuntura recubiertas de platino alimentadas por tres pilas AA y conectadas a un interruptor de alimentación de 12 V que apunta a las células diseñadas implantadas. Como control, el equipo también pinchó ratones con agujas de acupuntura lejos de las células implantadas. Cada grupo fue electrocutado durante solo 10 segundos al día.

En comparación con los controles, en solo cuatro semanas el tratamiento electrogenético se mostró prometedor. Los ratones pudieron combatir mejor el nivel bajo de azúcar en la sangre debido a la dieta y, finalmente, restauraron sus niveles normales de azúcar en la sangre. También eran expertos en regular los niveles de azúcar en la sangre después de una comida, algo que es difícil en personas con diabetes sin usar insulina. Otras medidas metabólicas también mejoraron.

El siguiente paso es encontrar formas de reemplazar la necesidad de células modificadas genéticamente utilizadas en los implantes con una solución clínicamente más viable.

Pero para los autores, DART representa una hoja de ruta para unir aún más los cuerpos biológicos con el ámbito digital. Debería ser sencillo vincular los controles DART a una amplia gama de productos biofarmacéuticos dentro de las células. Con más optimización, estas interfaces electrogenéticas "son muy prometedoras para una variedad de futuras terapias basadas en genes y células", dijeron los autores.

Crédito de la imagen: Peggy y Marco Lachmann-Anke en Pixabay

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/