کنترل بیان ژن های موش توسط ذهن انسان

نمایی از بیان ژن با استفاده از کنترل ذهنی

استفاده از نور برای کنترل بیان ژن در گذشته، بسیار دور از ذهن به نظر می رسید اما اکنون به وسیله تکنیک اپتوژنتیک (optogenetics) می تواند انجام شود. این در حالی است که به تازگی محققان قدم دیگری نیز برداشته اند و اپتوژنتیک را با کنترل ذهن ترکیب کرده اند تا بیان ژن را فعال کنند.

انسانی که با کنترل ذهن می تواند بیان یک ژن را کنترل کند بیشتر شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر می رسد. در واقع این یک ترکیب کاملا نوآورانه از سایبرنتیک (شناخت کاربرد های کامپیوتری و اجزای آن، cybernetics) و زیست شناسی سنتزی (synthetic biology) است که می تواند آینده ای برای درمان های دارویی باشد و به صورت خودکار به وسیله مغز دیکته شود.

در مقاله ای که به تازگی در مجله Nature Communications به چاپ رسیده است دکتر Fussenegger و همکارانش نشان دادند که با استفاده از تلاقی مغزی-کامپیوتری (brain-computer interface- BCI) بر پایه نوار مغزی (electroencephalography- EEG) یک انسان می تواند به صورت بیسیم یک LED را که در موش کار گذاشته شده بود روشن کند. سپس نور حاصل از LED می‌تواند به صورت اپتوژنتیکی بیان ژن را در سلول های مهندسی شده موجود در موش کنترل کند.

دکتر Fussenegger می گوید:

" ما ابزار هایی مانند اندام مصنوعی و ویلچیر هایی تولید کرده بودیم که به وسیله امواج مغزی کنترل می شوند اما هیچ کنترلی بر روی ژن هایمان به وسیله مغز نداشتیم. درمان، همیشه تحت کنترل ارادی است: با احساس سرماخوردگی برای درمان به پزشک مراجعه می کنیم. ما معتقدیم که این درک درستی از درمان نیست. بیشتر سوخت و ساز بدن ما به صورت غیر ارادی و خود به خود انجام می شود. در نتیجه بهترین مداخله درمانی باید از ضمیر ناخودآگاه برای برنامه ریزی درمان استفاده کند. ابزار قابل کنترل به وسیله ذهن که توسط ما ساخته شده است، اولین قدم برای ضبط الگوهای امواج مغزی خاص و کنترل سطح یک پروتئین در بدن می باشد."

برای رسیدن به این هدف Fussenegger از اپتوژنتیک به عنوان تنها راه تبدیل الکتریسیته استفاده کرد تا امواج مغزی را به بیان ژن تبدیل کند. اولین قدم برای به وجود آوردن این سیستم ایجاد یک دسته ژن اپتوژنی سنتز شده برای سلول های پستانداران بود که کاملا کاربردی باشد. با دانستن نفوذپذیری بالا و سمیت نوری کم، نور نزدیک به فروسرخ (NIR) به عنوان منبع تحریک کننده نوری انتخاب شد. برای القا کردن تحریک به وسیله نور NIR به صورت یک سیگنال باکتریایی، یک گونه مهندسی شده سیکلاز دیگوانیلات (diguanylate cyclase-DGCL) باکتریایی فعال شده به وسیله نور NIR مورد استفاده قرار گرفت تا پیغامبر ثانویه مونوفسفات دیگوانوزین حلقوی (c-di-GMP) را در سلول تولید کند.

سپس سیگنال c–di-GMP برای کنترل بیان ژن محرک ژن های اینترفرون (STING) مورد استفاده قرار گرفت. STING یکی از اجزای مسیر ایمنی ذاتی است که حضور پیغامبرهای ثانویه مانند c-di-GMP را که از عوامل بیماری زای درون سلولی آزاد می شوند شناسایی کرده و باعث فسفریلاسیون عامل تنظیم کننده اینترفرون ۳ (IRF3) می شود. سپس IRF3 به هسته منتقل شده و به پروموترهای اینترفرون نوع I متصل شده و آن را فعال می کند.

هنگامی که ژن های DGCL ،STING و یک آلکالاین فسفاتاز ترشحی (SEAP) که از یک پروموتر اینترفرون سنتتیک مشتق شده باشند به رده های سلولی پستانداری منتقل می شوند، قرار گرفتن در معرض نور NIR منجر به القای SEAP به طور وابسته با زمان نوردهی می‌شود. قرار دادن زیرجلدی محفظه های ریز استوانه ای دارای این سلول ها در موش، منجر به تولید SEAP در جریان خون پس از قرار گرفتن در معرض نور NIR خواهد شد.

پس از ایجاد حلقه ژنی اپتوژنتیکی مورد نظر این گروه در پی ایجاد ملزومات سایبرنتیک بودند تا بتوانند سلول های مهندسی شده کاشته شده در بدن موش را با کنترل مغزی توسط نور NIR فعال کنند. اولین قسمت شامل استفاده از یک هدست EEG قابل حمل برای تشخیص سطوح مختلف مغزی انسان ناشی از کار روزانه، تمرکز و تفکر بود تا بتوانند اپتوژنتیک کاشته شده در موش را به صورت بیسیم فعال کنند.

مرحله دوم شامل آماده سازی این استوانه کاشته شده بود به گونه ای که NIR LED استفاده شده برای تهییج سلول های اپتوژنتیکی سنتزی بتواند به صورت بیسیم خاموش و روشن شود. دکتر Fussenegger می‌افزاید:

" ابتدا از باتری برای تامین انرژی LED استفاده کردیم اما این کار باعث شد LED زمان بسیار کوتاهی فعالیت کند. باتری هایی که نیاز داشتیم بسیار بزرگ بوده و در نتیجه قابل کاشت در موش نبود. علاوه بر این در کاربردهای درمانی انسانی تعویض باتری کاری نبود که بتوان در هر زمان انجام داد. در نتیجه به این فکر افتادیم که از یک منبع انرژی القایی استفاده کنیم که می توانست در خارج از بدن قرار گرفته و انرژی را به محفظه کاشته شده در زیر پوست منتقل کند."

محققان یک آنتن گیرنده انرژی را به NIR LED درون محفظه کاشته شده متصل کردند تا بتوانند به صورت بیسیم انرژی مورد نیاز را منتقل کرده و آزادی حرکت را از موش نگیرند. با استفاده از BCI بر پایه EEG افراد شرکت کننده در این طرح با رسیدن به سطح مغزی مورد نظر می توانند مولد جریان را روشن کرده و به NIR LED کاشته شده انرژی رسانده و در نهایت سلول های مهندسی شده را فعال کنند تا SEAP را بیان و ترشح کنند. در انتها SEAP ترشح شده می تواند در جریان خون موش تشخیص داده شود.

البته در آینده حتما باید از یک منبع جریان مینیاتوری استفاده کرد تا در سیستم های اپتوژنتیکی کاشته شده در انسان استفاده شود. این سیستم می تواند به سرعت برای بیماران سندروم locked-in که هیچ کنترل ارادی بر روی ماهیچه هایشان ندارند به کار رود. اگرچه Fussenegger معتقد است این سیستم می تواند در آینده برای بهبود هر نوع نقص سیستم عصبی مانند سرع به کار رود. در این بیماری انتظار می رود امواج مغزی پیش از حمله شناسایی شده و برای بیان ترکیباتی که حمله کامل سرع را مهار می کنند به کار رود. دکتر Fussenegger معتقد است این سیستم علاوه بر این می تواند برای افسردگی و دردهای مزمن نیز به کار رود.

منبع: Nature Communications