직류로 포유류 유전자 발현을 프로그래밍하는 전기유전 인터페이스

Jul 14, 2023

Nature Metabolism 5권, 페이지 1395–1407(2023)이 기사 인용

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웨어러블 전자 장치는 개인화된 의료 개입을 위해 개인의 건강 데이터를 수집하는 데 급속히 확대되는 역할을 하고 있습니다. 그러나 웨어러블은 직접적인 전기유전 인터페이스가 부족하기 때문에 아직 유전자 기반 치료법을 직접 프로그래밍할 수 없습니다. 여기에서 우리는 배터리의 DC를 사용하여 인간 세포에서 전극 매개, 시간 및 전압 의존적 도입유전자 발현을 가능하게 하는 직류(DC) 작동 조절 기술(DART)이라고 부르는 전기 유전 인터페이스를 개발하여 누락된 링크를 제공합니다. DART는 DC 공급 장치를 활용하여 바이오센서를 통해 합성 프로모터를 가역적으로 미세 조정하는 무독성 수준의 활성 산소종을 생성합니다. 제1형 당뇨병 수컷 마우스 모델을 대상으로 한 개념 증명 연구에서, 활성화된 침술 바늘(10초 동안 4.5V DC)을 사용하여 피하 이식된 마이크로캡슐화된 공학적 인간 세포를 매일 1회 경피 자극하면 인슐린 방출이 자극되고 정상 혈당이 회복되었습니다. 우리는 이 기술을 통해 웨어러블 전자 장치가 대사 개입을 직접 프로그래밍할 수 있게 될 것이라고 믿습니다.

상호 연결된 스마트 전자 장치는 점점 더 우리의 일상 생활을 지배하고 건강에 대한 인식을 형성하고 있습니다1. 그러나 전자 시스템과 생물학적 시스템은 근본적으로 다른 방식으로 작동하며 기능적 통신 인터페이스가 부족하여 대체로 호환되지 않습니다. 생물학적 시스템은 유전학에 의해 프로그래밍되고 진화에 의해 천천히 업데이트되고 절연막을 통해 흐르는 이온에 의해 제어되는 아날로그인 반면, 전자 시스템은 쉽게 업데이트할 수 있는 소프트웨어에 의해 프로그래밍되고 절연 전선을 통해 흐르는 전자에 의해 제어되는 디지털입니다. 전자 장치가 유전자 발현을 제어할 수 있게 해주는 전기유전 인터페이스는 전자 및 유전 세계의 완전한 호환성과 상호 운용성을 향한 길에서 누락된 고리로 남아 있습니다2.

합성 생물학은 간단한 아날로그 유전자 스위치를 아날로그뿐만 아니라 발진기3, 타이머4, 메모리5, 대역 통과 필터6, 릴레이 스위치7와 같은 전자 회로의 논리 처리 기능을 사용하여 세포 행동을 프로그래밍할 수 있는 복잡한 유전자 회로로 조립하여 이러한 과제를 해결했습니다. -디지털 변환기8, 반가산기9, 심지어 전가산기10. 이러한 유전자 회로 중 다수의 유용성은 암3, 세균 감염11, 만성 통증12 및 당뇨병13을 포함한 다양한 의학적 상태의 실험적 제어에서 입증되었습니다. 유전자 회로에는 일반적으로 항생제14, 비타민15, 식품 첨가물16, 화장품17 또는 휘발성 향수8와 같은 소분자 화합물에 의해 제어되는 유발 유발 유전자 스위치가 포함되어 있습니다. 생체 이용률, 다발성 부작용 및 약력학의 차이로 인해 포유류 숙주에서 이러한 유발 요인의 전반적인 조절 성능이 위태로워질 수 있으므로 빛18,19, 자기장20, 전파21을 포함한 전자기파와 같은 비분자 추적 없는 물리적 단서에 대한 관심이 점점 더 커지고 있습니다. 그리고 열22; 그러나 물리적으로 유발되는 유전자 스위치는 높은 에너지 입력을 요구할 수 있고 부작용이 있는 비생리적 화학적 또는 무기 보조 인자가 포함될 수 있고 생체 이용률이 낮거나 반감기가 짧을 수 있으며 조명 기반 세포 독성으로 고통받을 수 있으며 열과 관련된 의학적 상태로 인해 혼동될 수 있습니다.

따라서 잠재적인 웨어러블 기반 전기 제어 유전자 발현을 위한 단계를 설정하기 위해 배터리로 구동되고 보조 인자가 없으며 시간 및 전압에 따라 포유류 유전자 발현을 전기적으로 미세 조정할 수 있는 장치가 필요합니다. 의료 개입을 신체 인터넷 또는 사물 인터넷에 연결합니다. 박테리아26,27,28,29,30 및 포유류 세포31,32,33에서 전기 유도성 유전자 발현을 설계하려는 선구적인 시도는 세포 배양에서 유망한 것으로 입증되었지만 세포 독성, 제한된 생체 이용률 및 불량한 임상으로 인해 생체 내 적용과 호환되지 않았습니다. 전기 감응성 산화 환원 화합물의 호환성 또는 수명이 제한된 복잡한 생체 전자 임플란트에 의해 제어되는 고전압 교류가 필요합니다. 이러한 장치는 이식된 세포에서 치료적 도입유전자 발현을 프로그래밍하기 위해 배터리로 구동되는 웨어러블에 사용하기에 적합하지 않습니다32.