Press "Enter" to skip to content

Stanford-Wissenschaftler programmieren Zellen genetisch neu, um künstliche Strukturen aufzubauen

Genetisch zielgerichtete chemische Assemblierung (GTCA) von Funktionsmaterialien

Die goldene Farbe zeigt die Ablagerung von biokompatiblen Polymeren auf zwei genetisch zielgerichteten Neuronen rechts, die benachbarte Zellen schonen. Die selektive Abscheidung dieser Polymere, die elektrisch isolierend oder leitend sein können, ermöglicht es, die Eigenschaften von Zielzellen in lebenden Geweben und Tieren zu modulieren. Blaue Diamantpartikel stellen die Monomere dar, die das Polymer global durch das Gewebe diffundieren lassen. Die Technologie ermöglicht nur die Bildung von Polymeren in Zielzellen. Bildnachweis: Ella Maru Studio und Yoon Seok Kim / Jia Liu, Laboratorien Deisseroth / Bao, Stanford University

Stanford Researchers Program Cells zur Durchführung gengeführter Bauprojekte

Stanford-Forscher haben eine Technik entwickelt, die Zellen neu programmiert, um synthetische Materialien zu verwenden, die von den Wissenschaftlern bereitgestellt wurden, um künstliche Strukturen aufzubauen, die Funktionen im Körper ausführen können.

„Wir haben Zellen zu Chemieingenieuren gemacht, die Materialien verwenden, die wir zur Verfügung stellen, um funktionelle Polymere zu konstruieren, die ihr Verhalten auf spezifische Weise ändern“, sagte Karl Deisseroth, Professor für Bioingenieurwesen sowie für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften, der die Arbeit mit leitete.

In der Ausgabe vom 20. März von WissenschaftDie Forscher erklären, wie sie eine genetisch zielgerichtete chemische Assemblierung (GTCA) entwickelt und mit der neuen Methode künstliche Strukturen auf Gehirnzellen von Säugetieren und auf Neuronen in dem so genannten winzigen Wurm aufgebaut haben C. elegans. Die Strukturen wurden unter Verwendung von zwei verschiedenen biokompatiblen Materialien mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften hergestellt. Ein Material war ein Isolator, das andere ein Leiter.

Zhenan Bao, Co-Leiter der Studie, Professor und Lehrstuhl für Chemieingenieurwesen, sagte, dass sich die aktuellen Experimente hauptsächlich auf Gehirnzellen oder Neuronen konzentrierten, GTCA jedoch auch mit anderen Zelltypen zusammenarbeiten sollte. “Wir haben eine Technologieplattform entwickelt, die die biochemischen Prozesse von Zellen im gesamten Körper nutzen kann”, sagte Bao.

Die Forscher programmierten zunächst die Zellen, die sie beeinflussen wollten, genetisch neu. Dazu verwendeten sie Standard-Bioengineering-Techniken, um Anweisungen für die Zugabe eines Enzyms namens APEX2 zu bestimmten Neuronen zu liefern.

Als nächstes tauchten die Wissenschaftler die Würmer und andere experimentelle Gewebe in eine Lösung mit zwei Wirkstoffen – einer extrem niedrigen, nicht tödlichen Dosis Wasserstoffperoxid und Milliarden von Molekülen des Rohmaterials, das die Zellen für ihre Bauprojekte verwenden sollten.

Der Kontakt zwischen dem Wasserstoffperoxid und den Neuronen mit dem APEX2-Enzym löste eine Reihe chemischer Reaktionen aus, bei denen die Rohstoffmoleküle zu einer Kette verschmolzen, die als Polymer bekannt ist, um ein netzartiges Material zu bilden. Auf diese Weise konnten die Forscher künstliche Netze mit entweder isolierenden oder leitenden Eigenschaften nur um die gewünschten Neuronen weben.

Die Polymere veränderten die Eigenschaften der Neuronen. Abhängig davon, welches Polymer gebildet wurde, feuerten die Neuronen schneller oder langsamer und wann diese Polymere in Zellen von erzeugt wurden C. eleganswurden die Krabbelbewegungen der Würmer in entgegengesetzter Weise verändert.

In den Säugetierzellexperimenten führten die Forscher ähnliche polymerbildende Experimente an lebenden Schnitten aus Mausgehirnen und an kultivierten Neuronen aus Rattengehirnen durch und verifizierten die leitenden oder isolierenden Eigenschaften der synthetisierten Polymere. Schließlich injizierten sie eine Wasserstoffperoxidlösung mit niedriger Konzentration zusammen mit Millionen der Rohstoffmoleküle in das Gehirn lebender Mäuse, um zu überprüfen, ob diese Elemente zusammen nicht toxisch waren.

Deisseroth sagt, dass es sich nicht um eine medizinische Anwendung handelt, sondern um Werkzeuge für die Erforschung. Mit diesen Instrumenten könnte jedoch untersucht werden, wie Multiple Sklerose, die durch das Ausfransen der Myelinisolation um die Nerven verursacht wird, reagieren könnte, wenn erkrankte Zellen dazu gebracht werden könnten, isolierende Polymere als Ersatz zu bilden. Die Forscher könnten auch untersuchen, ob die Bildung leitfähiger Polymere auf fehlzündenden Neuronen bei Autismus oder Epilepsie diese Bedingungen verändern könnte.

In Zukunft möchten die Forscher Varianten ihrer zellbezogenen Technologie untersuchen. GTCA könnte verwendet werden, um eine breite Palette von Funktionsmaterialien herzustellen, die durch verschiedene chemische Signale implementiert werden. “Wir stellen uns eine ganze Welt von Möglichkeiten an dieser neuen Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie vor”, sagte Deisseroth.

Referenz: 19. März 2020, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.aay4866