Wissenschaftler programmieren Zellen, um gengesteuerte Bauprojekte durchzuführen

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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 Science-Ausgabe vom 20. März erklären die Forscher, wie sie eine genetisch zielgerichtete chemische Assemblierung (GTCA) entwickelt und mit der neuen Methode künstliche Strukturen auf Gehirnzellen von Säugetieren und auf Neuronen des winzigen Wurms namens C. elegans aufgebaut haben. 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.

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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. Je nachdem, welches Polymer gebildet wurde, feuerten die Neuronen schneller oder langsamer, und als diese Polymere in Zellen von C. elegans erzeugt wurden, wurden die Kriechbewegungen der Würmer in entgegengesetzter Weise verändert.

In den Experimenten mit Säugetierzellen führten die Forscher ähnliche Experimente zur Polymerbildung an lebenden …

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