과학자들은 인간 DNA를 전기로 제어할 수 있다고 주장한다

May 18, 2023

anusorn nakdee/iStock

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인간의 생물학적 시스템은 유전학에 의해 프로그래밍되고 진화에 의해 천천히 업데이트된다는 점에서 아날로그인 반면, 전자 시스템은 전기로 업데이트되고 제어될 수 있다는 점에서 디지털입니다.

이러한 '기능적 의사소통 인터페이스의 부족'을 해소하기 위해 취리히 연방공과대학(ETH Zurich)의 과학자들은 전기를 통해 DNA를 제어할 수 있는 인터페이스를 고안했습니다.

연구진은 연구팀이 개발한 직류(DC) 작동 조절 기술(DART)이라는 "전기 유전적" 인터페이스를 통해 전기 신호를 보내 인간 세포의 인슐린 생산이 활성화될 수 있다는 것을 실험을 통해 보여줄 수 있었습니다. 이러한 전기 신호는 표적 유전자를 활성화시켰습니다.

DART는 표적 유전자 발현을 제어하는 ​​데 매우 적은 전력과 전체 에너지가 필요하며 DART 제어에는 간단한 수동 전기 ON/OFF 스위치만 필요합니다.

이번 연구에서는 전기 신호를 활용하면 유전자 조작이 가능하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 발견은 곧 스마트워치와 같은 기기에 적용될 수 있으며 당뇨병 치료에도 사용될 수 있습니다.

“전자 장치가 유전자 발현을 제어할 수 있게 해주는 전기 유전 인터페이스는 전자 세계와 유전 세계의 완전한 호환성과 상호 운용성을 향한 길에서 누락된 고리로 남아 있습니다.”라고 연구에서 연구원들은 말했습니다.

같은 연구자 그룹이 2020년에 발표한 또 다른 연구에서 팀은 전기 자극이 유전자를 조절하는 데 사용될 수 있음을 확인했습니다.

그러나 새로운 디자인은 제1형 당뇨병이 있는 쥐에 인간 췌장 세포를 이식함으로써 초기 디자인을 단순화했다고 연구원들은 Vice에 말했습니다. 2020년과 2023년 연구의 목표는 쥐의 혈당 수준을 허용 가능한 수준으로 되돌리는 것이었습니다.

연구자들은 인슐린 방출을 자극하고 정상혈당증(정상 혈당 수준)을 회복시키는 전기 자극 침술 바늘을 사용했습니다.

연구자들은 DART 시스템이 도입 유전자 발현을 활성화하기 위해 더 높은 전압에서는 몇 시간이 걸리지 않고 더 낮은 전압에서는 몇 초만 필요하기 때문에 에너지 효율성과 안전성이 더 높다고 주장합니다.

이 연구는 또한 인간 세포에서 치료용 이식유전자를 전자 장치 없이 직접 배터리로 구동하는 저전압 DC 제어가 도약하는 것이라고 지적했습니다. 이는 그리 멀지 않은 미래에 웨어러블 기기가 유전자를 제어할 수 있게 해주는 누락된 고리를 나타냅니다.

이 연구는 네이처(Nature)에 게재되었습니다.

연구 요약:

웨어러블 전자 장치는 개인화된 의료 개입을 위해 개인의 건강 데이터를 수집하는 데 급속히 확대되는 역할을 하고 있습니다. 그러나 웨어러블은 직접적인 전기유전 인터페이스가 부족하기 때문에 아직 유전자 기반 치료법을 직접 프로그래밍할 수 없습니다. 여기에서 우리는 배터리의 DC를 사용하여 인간 세포에서 전극 매개, 시간 및 전압 의존적 도입유전자 발현을 가능하게 하는 직류(DC) 작동 조절 기술(DART)이라고 부르는 전기 유전 인터페이스를 개발하여 누락된 링크를 제공합니다. DART는 DC 공급 장치를 활용하여 바이오센서를 통해 합성 프로모터를 가역적으로 미세 조정하는 무독성 수준의 활성 산소종을 생성합니다. 제1형 당뇨병 수컷 마우스 모델을 대상으로 한 개념 증명 연구에서, 활성화된 침술 바늘(10초 동안 4.5V DC)을 사용하여 피하 이식된 마이크로캡슐화된 공학적 인간 세포를 매일 1회 경피 자극하면 인슐린 방출이 자극되고 정상 혈당이 회복되었습니다. 우리는 이 기술을 통해 웨어러블 전자 장치가 대사 개입을 직접 프로그래밍할 수 있게 될 것이라고 믿습니다.