Дослідники зі Стенфорда розробили методику перепрограмування клітин для використання синтетичних матеріалів, наданих вченими, для створення штучних структур, здатних виконувати функції всередині тіла.
«Ми перетворили клітини на інженерів-хіміків, які використовують матеріали, які ми надаємо, для створення функціональних полімерів, які змінюють свою поведінку особливим чином», - сказав Карл Дайссерот, професор біоінженерії, психіатрії та поведінкових наук, який був одним з керівників цієї роботи.
У випуску журналу Science дослідники пояснюють, як вони розробили генетично спрямовану хімічну збірку, або GTCA, і використовували новий метод для створення штучних структур на клітинах мозку ссавців і на нейронах в крихітному черв'яку, званому C. elegans.
Структури були виготовлені з використанням двох різних біосумісних матеріалів, кожен з яких володіє різними електронними властивостями. Один матеріал був ізолятором, інший провідником.
Хоча поточні експерименти були зосереджені головним чином на клітинах мозку або нейронах, GTCA також повинна працювати з клітинами інших типів. «Ми розробили технологічну платформу, яка може задіяти біохімічні процеси клітин у всьому тілі», - кажуть вчені.
Дослідники почали з генетичного перепрограмування клітин, на які вони хотіли впливати. Вони зробили це, використовуючи стандартні методи біоінженерії для надання інструкцій з додавання ферменту, званого APEX2, в конкретні нейрони.
Потім вчені занурили хробаків та інші експериментальні тканини в розчин з двома активними інгредієнтами - надзвичайно низькою, не смертельною дозою перекису водню і мільярдами молекул сировини, для якої вони хотіли, щоб клітини використовували його для своїх будівельних «проектів».
Контакт між перекисом водню і нейронами з ферментом APEX2 викликав серію хімічних реакцій, в результаті яких молекули сировини злилися в ланцюжок, відомий як полімер, з утворенням сітчастого матеріалу. Таким чином, дослідники змогли сплести штучні мережі з ізоляційними або провідними властивостями тільки навколо потрібних нейронів.
Полімери змінили властивості нейронів. Залежно від того, який полімер був сформований, нейрони запускалися швидше або повільніше, і коли ці полімери створювалися в клітинах C. elegans, повзучі рухи хробаків змінювалися протилежним чином.
В експериментах з клітинами ссавців дослідники проводили аналогічні експерименти з формування полімерів на живих зрізах з мозку миші і на культивованих нейронах з мозку щура і перевіряли провідні або ізолюючі властивості синтезованих полімерів.
Нарешті, вони вводили розчин перекису водню з низькою концентрацією разом з мільйонами молекул сировини в мозок живих мишей, щоб переконатися, що ці елементи не були токсичними разом.
За словами вчених, замість медичного застосування «у нас є інструменти для дослідження». Але ці інструменти можуть бути використані для вивчення того, як розсіяний склероз, викликаний руйнуванням мієлінової ізоляції навколо нервів, може реагувати, якщо хворі клітини можуть індукуватися з утворенням ізолюючих полімерів в якості заміни.
Дослідники могли б також дослідити, чи можуть зміни в цих умовах формувати проведені полімери на несприйнятливих нейронах при аутизмі або епілепсії.
Надалі дослідники хотіли б вивчити варіанти своїх технологій, орієнтованих на клітини. GTCA може використовуватися для виробництва широкого спектру функціональних матеріалів, що реалізуються різними хімічними сигналами. «Ми представляємо цілий світ можливостей на цьому новому інтерфейсі хімії та біології», - кажуть дослідники.