Благодаря способности использовать свет для активации генов в определенных местах, исследователи могут лучше изучать функции генов, создавать сложные системы для выращивания тканей и, возможно, в конечном итоге реализовать научно-фантастические технологии исцеления.Исследование, проведенное Чарльзом Герсбахом, доцентом кафедры биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, опубликовано 9 февраля в журнале Nature Chemical Biology.«Эта технология должна позволить ученому выбрать любой ген на любой хромосоме и включить или выключить его с помощью света, который может изменить то, что можно сделать с помощью генной инженерии», — сказала Лорен Полштейн, аспирант Duke и ведущий автор исследования Работа. «Преимущество этого с помощью света состоит в том, что мы можем быстро и легко контролировать, когда ген включается или выключается, а также уровень, до которого он активируется, изменяя интенсивность света.
Мы также можем определить, где включается ген, освещая свет в определенных узорах, например, пропуская свет через трафарет ".Новый метод нацелен на определенные гены с использованием новой системы генной инженерии под названием CRISPR / Cas9. Обнаруженная как система, которую используют бактерии для идентификации вирусных захватчиков и разрезания их ДНК, система была использована исследователями для точного нацеливания на определенные генетические последовательности.
Затем ученые Duke обратились к другой ветви эволюционного древа, чтобы активировать систему светом.У многих растений два белка соединяются вместе в присутствии света, позволяя растениям ощущать продолжительность дня, которая определяет биологические функции, такие как цветение. Прикрепив систему CRISPR / Cas9 к одному из этих белков и активируя гены белки к другому, команда смогла включить или выключить несколько разных генов, просто посветив синим светом на клетки.
«Светочувствительные взаимодействующие белки существуют в растениях независимо», — пояснил Герсбах. «Мы сделали то, что прикрепили CRISPR и активатор к каждому из них. Это основано на аналогичных системах, разработанных нами и другими, но поскольку теперь мы используем CRISPR для нацеливания на определенные гены, это проще, быстрее и дешевле, чем другие технологии ".Герсбах предвидит широкий спектр потенциальных применений новой активируемой светом генной системы регулирования.Исследователи могли жестко и точно контролировать уровень активности гена, исходя из его естественного положения в хромосомной ДНК, что позволило бы им получить более точную интерпретацию роли гена.
Система, индуцированная светом, также может обеспечить больший контроль над тем, как культуры стволовых клеток дифференцируются в различные типы тканей. Герсбах надеется, что, создавая различные паттерны экспрессии генов, эту систему можно будет использовать в тканевой инженерии.
«Одно из ограничений тканевой инженерии в настоящее время заключается в том, что при обычных методах создается кусок кости, хряща или мышцы, но это не то, как ткани выглядят естественно», — сказал Герсбах. «Есть несколько типов клеток, смешанных вместе, градиенты тканей между интерфейсами и кровеносные сосуды и нейроны, которые проникают через них. Мы хотим пространственно контролировать, где образуются различные ткани в популяции клеток, и таким образом создавать мульти-тканевые конструкции, которые потенциально могут лучше представлять нормальную физиологию ".
А еще есть более футуристическая идея о том, как можно применить генную инженерию, индуцированную светом.«Можно освещать клетки через кожу и контролировать то, что они делают, например, рост кровеносных сосудов или регенерацию тканей», — сказал Герсбах. «Далеко-далеко по дороге вы можете представить себе устройство, которое вы увидите в« Звездном пути », где вы проводите фонариком по ране, и она заживает.
Очевидно, в настоящее время это невозможно, но этот тип технологии обеспечивает гораздо лучший контроль над биологическими системами может подтолкнуть нас в этом направлении ".Эта работа была поддержана Премией нового новатора Национального института здравоохранения (DP2OD008586); Премия Национального научного фонда за развитие карьеры в раннем возрасте (CBET-1151035); Гранты Национального института здравоохранения R01DA036865, NIH R03AR061042 и NIH P30AR066527; и грант на развитие ученых Американской кардиологической ассоциации (10SDG3060033).