Bakteriyel ‘Nanoşırınga’ İnsan Hücrelerine Gen Tedavisi Sağlayabilir

Bir tırtılın bağırsağında bir solucan yaşar ve solucanın içinde biyolüminesan bir bakteri gizlenir. Fotorhabdus asimbiyotikbu da tırtılın karanlıkta parlamasını sağlar. Ancak bu yuvalanan bebeğe benzeyen düzeneğin daha zararlı başka bir etkisi daha vardır: Bakteriler, 100 nanometre uzunluğunda ölümcül moleküler bir şırınga salgılar ve bu şırınga böceğin hücrelerine takılır. Bir hücreye bağlandıktan sonra şırınga, hücrenin zarından toksik bir yük salan moleküler bir mızrak iter. Böcek konakçısı ölüp ayrışırken, bakteri bir sonraki kurbanını kolonize etmek için kaçar.

Bugün yayınlanan bir gazetede Doğa, araştırmacı raporu yeniden biçimlendirme fotorhabdusşırıngainsan hücrelerine bağlanabilmesi ve içlerine büyük proteinler enjekte edebilmesi için kasılma enjeksiyon sistemi denir. Çalışma, hücrenin DNA’sını “düzenleyebilen” proteinler de dahil olmak üzere çeşitli terapötik proteinleri herhangi bir hücre türüne iletmenin bir yolunu sağlayabilir. Stanford Üniversitesi’nde çalışmaya dahil olmayan bir gen terapisi araştırmacısı olan Mark Kay, “Bu çok ilginç bir yaklaşım” diyor. Genetik bir bozuklukta mutasyona uğramış bir geni düzeltmek veya devre dışı bırakmak için “Genom düzenlemesi yapabilen proteinleri ifade etmek istediğinizde bunun çok yararlı olabileceğini düşünüyorum” diyor.

Nano enjektör, genleri değiştirmekle ilgilenen bilim adamları için kritik bir araç sağlayabilir. Massachusetts Institute of Technology’deki McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nde ve MIT ve Harvard Broad Enstitüsü’nde moleküler biyolog olan çalışma araştırmacısı Feng Zhang, “Dağıtım muhtemelen gen düzenleme için çözülmemiş en büyük sorundur” diyor. Zhang, gen düzenleme sistemi CRISPR-Cas9’u geliştirme çalışmaları ile tanınıyor. Zhang, mevcut teknolojinin düzenleme makinesini “birkaç dokuya, kana, karaciğere ve göze yerleştirebileceğini, ancak beyin, kalp, akciğer veya böbrek gibi başka hiçbir yere ulaşmak için iyi bir yolumuz olmadığını” söylüyor. Şırınga teknolojisi aynı zamanda kanseri tedavi etme konusunda umut vaat ediyor çünkü belirli kanser hücrelerindeki reseptörlere bağlanacak şekilde tasarlanabiliyor.

Zhang, iki yıl önce yüksek lisans öğrencisi Joseph Kreitz ile birlikte gen düzenleyici enzimleri hücrelere ulaştırmanın yeni yollarını arıyordu. fotorhabdusenjeksiyon sistemi. Sistem benzersizdi çünkü böcek hücrelerine uyarlanmıştı. Zhang, “Bu, bir bakterinin başka bir bakteri hücresine değil de bir hayvan hücresine enjekte edildiği çok nadir örneklerden biri” diyor. “Bu, bir hayvan hücresine enjekte edilebilirse, belki insan hücrelerinde işe yarayabilir diye düşündük.”

Araştırmacılar, enjektörler için genetik planları yerleştirerek minyatür enjektörleri toplu olarak ürettiler. Escherichia coli bakteriler. bu E. coli böcek hücrelerine maruz kaldıklarında onlara bağlanan ve beklendiği gibi toksinlerini enjekte eden minik şırıngaları görev bilinciyle salgıladı. Ancak Kreitz ve Zhang, bu enjektörleri insan hücreleri üzerinde test ettiğinde işe yaramadı. “Öyleyse şunu anlamamız gerekiyordu: Bu şeyi nasıl tasarlarız?” Zhang diyor.

Zhang’ın ekibi, enjektörler üzerinde, kuyruk lifleri adı verilen ve enjektör hücre zarlarını delmeden önce hücreleri yakalayıp tutan dokunaç benzeri yapılara odaklandı. Araştırmacılar, insan hücrelerine tutunmalarını sağlamak için bu lifleri 100’den fazla farklı şekilde ayarladı. Hiçbir şey işe yaramadı. Ardından, projeden yaklaşık bir yıl sonra, AlphaFold adlı yapay zeka yazılımının yeni çıkan bir sürümü imdadına yetişti. AlphaFold, proteinlerin üç boyutlu yapısını amino asit dizilerinden tahmin eder. Bir kuyruk lifi proteininin 3 boyutlu görünümü, ekibin onu insan hücrelerine güvenilir bir şekilde bağlanacak şekilde nasıl değiştireceğini anlamasına yardımcı oldu.

Bir deneyde ekip, değiştirilmiş kuyruk liflerine sahip nano şırıngaları bazı insan kanser hücrelerinin yüzeyinde bulunan bir epidermal büyüme faktörü reseptörüne (EGFR) yapıştırmayı başardı. Enjeksiyon sisteminin bir toksinle yüklenmesi, reseptörü taşıyan hücrelerin neredeyse tamamını öldürdü, ancak diğer hücrelere zarar vermedi, bu da onun özgüllüğünü gösteriyor. Araştırmacılar, enjektörlerin kuyruk liflerini diğer hücre tiplerindeki yüzey işaretlerini de tanıyacak şekilde uyarladılar.

Zhang’ın ekibi ayrıca, proteinleri bir şırınga iğnesine yüklenmesi gereken cephane olarak işaretleyen bir etiket ekleyerek sistemi çeşitli protein yükleriyle paketleyebileceğini buldu. Bilim adamları bu etiketi protein toksinlerine ve makası doğru yere yönlendiren bir molekül tarafından belirlenen bir konumda DNA’yı kesen büyük bir moleküler makas olan gen düzenleyici enzim Cas9’a bağladılar. Bu proteinler insan hücrelerine verildiğinde ya hücreleri öldürdüler ya da hücrelerin genlerini düzenlediler. Zhang, “Sadece proteine ​​bir etiket koyarak, bu iğnelere farklı türde proteinler yükleyebileceğimizi gösteriyoruz” diyor. Zhang, her bir iğnenin ayrıca dozu artırmak için bir proteinin birden çok kopyasını yükleyebileceğini söylüyor.

Teknolojiyi daha fazla keşfetmek için araştırmacılar, fare hücrelerine bağlanmak üzere bu küçük şırıngaları tasarlamak için yine AlphaFold’u kullandılar ve onları bir farenin beynine enjekte ettiler, burada nöronlara hücrelerin parlamasını sağlayan bir protein yerleştirdiler. Kuzey Karolina Eyalet Üniversitesi’nde CRISPR-Cas üzerine çalışan ancak yeni teknolojiye dahil olmayan bir genetikçi olan Rodolphe Barrangou, “Bunu farelerde intrakraniyal olarak yapabilmek ve gerçek nöronlarda gerçek bir yükün bir miktar iletimini görmek – bu şaşırtıcı ve etkileyici” diyor. çalışmak.

Ancak teknoloji için henüz çok erken. Zhang, DNA ve RNA gibi protein olmayan yükleri denemenin yanı sıra bir dağıtım cihazı olarak verimliliğini artırmayı planlıyor. Kay, ileride teknolojiyi “yüksek memelilerde” test etmenin önemli olacağını söylüyor. “Farelerde veya daha küçük memelilerde işe yarayan pek çok şey, insan olmayan primatlarda veya insanlarda işe yaramıyor” diye ekliyor. Enjeksiyon sistemleri bakteriyel proteinlerden oluştuğu için insanlarda bağışıklık reaksiyonlarına da yol açabilir. “Bilmemiz gerekiyor: İnsanlara koyarsak ne kadar immünojenik olur?” Zhang diyor.

Barrangou, yine de çalışmanın, biyoloji ve tıptaki zor teknik sorunları çözmek için biyolojik ilhamın önemini gösterdiğini söylüyor. “Bu, pratik kullanıma sahip ve konuşlandırılabilecek kadar iyi olan ilgi çekici doğal biyolojik karanlık madde öğelerinden gün ışığına çıkarmaya odaklanmanın çok iyi bir örneğidir” diyor.