Uno studio di elettrogenetica scopre che un giorno potremmo controllare i nostri geni con i dispositivi indossabili

I componenti suonano come il seguito di uno shopping e di un ritiro termale: tre batterie AA. Due aghi per agopuntura elettrici. Un supporto di plastica che di solito è attaccato alle lucine alimentate a batteria. Ma insieme si fondono in un potente dispositivo di stimolazione, aprendo un nuovo canale che utilizza le batterie domestiche per controllare l’espressione genetica nelle cellule.

L'idea sembra folle, ma un nuovo studio pubblicato su Nature Metabolism questa settimana ha dimostrato che è possibile. Il team, guidato dal dottor Martin Fussenegger dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Basilea in Svizzera, ha sviluppato un sistema che utilizza l’elettricità a corrente continua, sotto forma di batterie o banchi di batterie portatili, per accendere un gene nelle cellule umane dei topi. con una semplice rotazione di un interruttore.

Per essere chiari, la batteria non può regolare i geni umani in vivo. Per ora funziona solo con i geni prodotti in laboratorio e inseriti nelle cellule viventi. Eppure l’interfaccia ha già avuto un impatto. In un test di prova, gli scienziati hanno impiantato cellule umane geneticamente modificate in topi affetti da diabete di tipo 1. Queste cellule sono normalmente silenziose, ma possono pompare insulina se attivate con uno shock elettrico.

Il team ha utilizzato aghi di agopuntura per fornire il grilletto per 10 secondi al giorno e i livelli di zucchero nel sangue nei topi sono tornati alla normalità entro un mese. I roditori hanno anche riacquistato la capacità di gestire i livelli di zucchero nel sangue dopo un pasto abbondante senza bisogno di insulina esterna, un’impresa normalmente difficile.

Chiamate “elettrogenetica”, queste interfacce sono ancora agli inizi. Ma il team è particolarmente entusiasta del potenziale dei dispositivi indossabili di guidare direttamente le terapie per i disturbi metabolici e potenzialmente altri. Poiché l’installazione richiede pochissima energia, tre batterie AA potrebbero attivare un’iniezione giornaliera di insulina per più di cinque anni.

Lo studio è l’ultimo a collegare i controlli analogici del corpo – l’espressione genetica – con software digitali e programmabili come le app per smartphone. Il sistema rappresenta “un balzo in avanti, rappresenta l’anello mancante che consentirà ai dispositivi indossabili di controllare i geni in un futuro non così lontano”, ha affermato il team.

L'espressione genica funziona in modo analogico. Il DNA ha quattro lettere genetiche (A, T, C e G), che ricordano gli 0 e gli 1 di un computer. Tuttavia, il codice genetico non può costruire e regolare la vita a meno che non venga tradotto in proteine. Il processo, chiamato espressione genica, recluta dozzine di biomolecole, ognuna delle quali è controllata dalle altre. Gli “aggiornamenti” di qualsiasi circuito genetico sono guidati dall’evoluzione, che funziona su scale temporali notoriamente lunghe. Sebbene potente, il manuale della biologia non è esattamente efficiente.

Entra nella biologia sintetica. Il campo assembla nuovi geni e attinge alle cellule per formare o ricablare circuiti complessi utilizzando la logica delle macchine. I primi esperimenti hanno dimostrato che i circuiti sintetici possono controllare i processi biologici che normalmente provocano cancro, infezioni e dolore. Ma per attivarli spesso sono necessarie delle molecole come trigger – antibiotici, vitamine, additivi alimentari o altre molecole – che mantengano questi sistemi nel regno dell’informatica biologica analogica.

Le interfacce neurali hanno già colmato il divario tra le reti neurali – un sistema informatico analogico – e i computer digitali. Possiamo fare lo stesso per la biologia sintetica?

La soluzione del team è la tecnologia di regolazione attuata in corrente continua, o DART.

Ecco come funziona la configurazione. Al centro ci sono le specie reattive dell’ossigeno (ROS), spesso conosciute come il cattivo che guida l’invecchiamento e l’usura dei tessuti. Tuttavia, il nostro corpo normalmente produce queste molecole durante il processo metabolico.

Per ridurre al minimo i danni alle molecole, disponiamo di un biosensore proteico naturale per misurare i livelli di ROS. Il biosensore lavora a stretto contatto con una proteina chiamata NRF2. La coppia normalmente si ritrova nella parte appiccicosa della cellula, isolata dalla maggior parte del materiale genetico. Quando i livelli di ROS aumentano a un ritmo allarmante, il sensore rilascia NRF2, che si incanala nel contenitore di stoccaggio del DNA della cellula, il nucleo, per attivare i geni che ripuliscono il caos dei ROS.