Настоящият материал е въз основата на публикация от Нарен Бокишам, учен от корпорацията 3M.

В статията по-долу от списание Bioengineering се заключава, че “подобно на начина, по който ДНК-базираните ваксини се въвеждат в човешкия организъм за борба с Covid-19, можем да очакваме, че електрогенетичните промоторни вериги ще бъдат вкарани в човешките клетки, за да се открие нов начин на биоелектронно сигнализиране.”

Както посочва Патрик Ууд от Technocracy.News, окончателното хакване на човешкото тяло ще бъде “електрогенетика”, при която човешката ДНК може да бъде избирателно включвана и изключвана чрез електронни сигнали.

Подобно на интернет на нещата (IoT), IoB се отнася до достъпа и контрола на човешкото тяло чрез интернет. Тук подробно описваме как CRISPR може да се използва за електрическа връзка с генома и като доказателство за концепцията показва контрол върху транскрипционните информационни мрежи в E. coli и Salmonella.

Технологиите са изиграли трансформираща роля в живота ни и тяхното въздействие върху човешкото здраве никога не се е усещало повече, отколкото в сегашните времена на глобалната пандемия Covid-19.

При този сценарий разработването на автономни системи за здравно отчитане и задействане, наричани още системи със затворен цикъл, които “усещат” и “действат” спрямо биологичното състояние (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), може да изиграе решаваща роля за справяне със здравните кризи на бъдещето. Успешното внедряване на електронни системи за затворен цикъл в областта на човешкото здраве зависи от разработването на нови методи за биологично задействане, които досега са ограничени до вековната невростимулация и оптогенетиката.

Последните постижения в областта на биологичното задействане произтичат от синтетичната биология, където нашата група и други докладват за генни вериги, които реагират на електрически сигнали с експресия на специфичен ген от интерес (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). В предишна публикация нашата група беше описала подробно редокс-базиран бактериален промотор SoxS, който реагира на специфични електрохимични сигнали, които могат да бъдат генерирани чрез външен електрод.

Използвайки този промотор, специфични трансгени от интерес могат да бъдат експресирани в бактерии в отговор на програмирани електрически стимули. В тази работа ние направихме следващия логически скок за тази технология, т.е. използваме електрически сигнали за свързване и контрол на транскрипционните мрежи в генома на клетките (Bhokisham et al., 2020).

За да подпомогнем нашия стремеж, използвахме технологията CRISPR, която предоставя средства за насочване към всяка конкретна цел в генома. По-конкретно, използвахме транскрипционен активатор, базиран на dCas9, за електрическо активиране и потискане на избрани гени от интерес.

Първо, интегрирахме системата CRISPR с електрореактивен промотор, базиран на SoxR, оптимизирахме различни компоненти, участващи в системата CRISPR, за да създадем регулируема и индуцируема система. По този начин, използвайки CRISPR, електрично активирахме LasI, автоиндуктор-1 (AI-1) синтаза, което доведе до генериране на AI-1, медиатор за отчитане на кворума (фиг. 2 и 3).

По-късно променихме предназначението на активатора CRISPR, за да репресираме едновременно и избрани гени. Тъй като електрохимичните стимули, които задвижват промотора SoxS, предизвикват и оксидативен стрес, бактериалните клетки активират вътрешни защитни реакции срещу стрес, за да отслабят електрическите стимули. Използвахме преработения CRISPR активатор, за да потиснем активирането на защитните реакции срещу оксидативен стрес в E. coli и S. enterica, като по този начин доведохме до увеличаване на мощността на промотора, реагиращ на електрически стимули (фиг. 4).

Когато се поставят в контекста на сложните пространствено-времеви градиенти на сигналите на биоелектронния интерфейс, клетките с потиснати защити от оксидативен стрес показват по-изравнени отговори по отношение на външните градиенти на сигналите (фиг. 5).

Тази концепция за заглушаване на определени елементи в генома с цел поддържане на по-добро съответствие с външната среда е вдъхновена от природата и се среща и в ембриогенезата и дрождите (Yu et al., 2008; Paulsen et al.,2011).

Като цяло очакваме, че електрическият контрол на транскрипционните мрежи в клетките ще намери многобройни приложения в биотехнологиите, като например конструирани пробиотични бактерии, които могат да бъдат програмирани да реагират на електрически стимули в червата. В по-дългосрочен план, подобно на начина, по който ДНК-базирани ваксини се въвеждат в човешкия организъм за борба с Covid-19, можем да очакваме, че електрогенетични промоторни вериги ще бъдат въведени в човешките клетки, за да се открие нова модалност на биоелектронната сигнализация.

Цитирани произведения

Berényi, A. et al. (2012) ‘Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation’, Science, 337(6095), pp. 735-737. doi: 10.1126/science.1223154.

Bhokisham, N. et al. “A redox-based electrogenetic CRISPR system to connect with and control biological information networks” (Електрогенетична CRISPR система, базирана на редокс, за връзка с биологични информационни мрежи и контрол върху тях), Nature Communications. Nature Publishing Group, 11, 2427 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16249-x

Kovatchev, B. P. et al. (2009) ‘In Silico Preclinical Trials: A Proof of Concept in Closed-Loop Control of Type 1 Diabetes”, Journal of Diabetes Science and Technology, 3(1), pp. 44-55. doi: 10.1177/193229680900300106.

Krawczyk, K. et al. (2020) “Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice” (Електрогенетично клетъчно освобождаване на инсулин за гликемичен контрол в реално време при мишки с диабет тип 1), Science, 368(6494), стр. 993-1001. doi: 10.1126/science.aau7187.

Paulsen, M. et al. (2011) “Negative feedback in the bone morphogenetic protein 4 (BMP4) synexpression group governs its dynamic signaling range and canalizes development” (Отрицателна обратна връзка в групата за синекпресия на костния морфогенетичен протеин 4 (BMP4) регулира динамичния му сигнален обхват и канализира развитието), Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(25), pp. 10202-10207. doi: 10.1073/pnas.1100179108.

Tschirhart, T. et al. (2017) “Electronic control of gene expression and cell behaviour in Escherichia coli through redox signalling” (Електронен контрол на генната експресия и клетъчното поведение в Escherichia coli чрез редокс сигнализация), Nature Communications. Nature Publishing Group, 8(1), p. 14030. doi: 10.1038/ncomms14030.

Weber, W. et al. (2008) “A synthetic mammalian electro-genetic transcription circuit” (Синтетична електрогенетична транскрипционна схема за бозайници), Nucleic Acids Research, 37(4), стр. e33-e33. doi: 10.1093/nar/gkp014.

Yu, R. C. et al. (2008) “Negative feedback that improves information transmission in yeast signalling” (Отрицателна обратна връзка, която подобрява предаването на информация в сигнализацията при дрождите), Nature, 456(7223), pp. 755-761. doi: 10.1038/nature07513.