Клеточные гены можно снабдить электрическим рубильником — чтобы они включались или выключались, когда клетка чувствует электрический ток.

Нервные клетки, приняв электрический импульс, проводят его дальше по своим длинным отросткам, мышечные клетки под действием импульса сокращаются. И нервные, и мышечные клетки специально настроены, чтобы именно так реагировать на электрический разряд. Но на самом деле электричество чувствуют все клетки. Известно, например, что слабый электрический ток повышает в клетках уровень активных форм кислорода, или кислородных радикалов — просто потому, что электричество действует на химические связи в молекулах, заставляя электроны в них перегруппировываться. А уже появление лишних кислородных радикалов меняет активность определённых генов.

(Иллюстрация: Josh Riemer / Unsplash.com) 

Кислородные радикалы обычно вспоминают в связи с окислительным стрессом — они портят белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Но клетка сама производит какое-то количество активных форм кислорода как побочный продукт энергетических окислительных реакций. В небольших количествах они даже полезны, работая химическими сигналами в разных клеточно-молекулярных процессах. Так или иначе, у клеток есть инструменты, чтобы снижать уровень кислородных радикалов. Повышающийся уровень радикалов чувствуют специальные белки, которые через цепочку посредников передают сигнал в ядро, чтобы активировались антиокислительные гены.

У любого гена есть промотор — так называют специальные регуляторные области в ДНК, которые сами они ничего не кодируют, но зато помогают запустить чтение информации с гена. С промотором связывается белок, который чувствует потребность клетки в том, чтобы этот конкретный ген под конкретным промотором стал активен. В случае с антиокислительным ответом белок-активатор садится на промоторы антиокислительных генов, и в клетке появляется много антиокислительных белков. Но если под такой промотор поставить какой-то другой ген, он ведь тоже будет активироваться из-за кислородных радикалов?

Сотрудники Базельского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха решили использовать клеточную реакцию на свободные радикалы, чтобы заставить клетку синтезировать инсулин по электрическому сигналу. Методами генетической инженерии исследователи поставили антиокислительный промотор перед геном инсулина в человеческих инсулинсинтезирующих клетках. Теперь, когда клетки чувствовали небольшой ток, они начинали синтезировать инсулин. Только нужно ещё раз уточнить, что синтез инсулина включал не ток сам по себе, а активные формы кислорода, которые из-за него возникали. Электрический сигнал трансформировался в молекулярный; при этом уровень кислородных радикалов повышался не настолько сильно, чтобы начать вредить клетке.

Варьируя электрическое напряжение и время, в течение которого на клетки действовал ток, можно было регулировать количество инсулина, который они производили. Метод проверили на мышах с диабетом первого типа, у которых не было собственных инсулиновых клеток в поджелудочной железе. Модифицированные клетки запаковывали в особые биосовместимые капсулы и вводили под кожу, а затем брали акупунктурные иглы, втыкали их рядом с имплантированными клетками и подавали ток. Уровень сахара у мышей падал — модифицированные клетки чувствовали электричество и начинали активно синтезировать инсулин, который выходил из капсулы в ткани животного и заставлял их поглощать лишнюю глюкозу из крови.

Результаты экспериментов описаны в Nature Metabolism. Всю технологию исследователи назвали электрогенетикой, по аналогии с оптогенетикой: в оптогенетике на генетически модифицированные клетки действует световой импульс, а в электрогенетике — электрический. В принципе, под электрическую регуляцию можно таким способом подставить любой ген. И, конечно, немедленно возникает вопрос о том, можно ли применить всё это в медицине: в конце концов, человеку можно также в капсуле имплантировать его собственные клетки, пусть и модифицированные, которыми можно управлять с помощью электродов и батарейки. Но тут возникает масса вопросов: сколько клеток можно ввести в таком «электроклеточном» имплантате; будут ли они одинаково реагировать на электрический сигнал, если их будет много; как долго они смогут работать; не появится ли каких-то побочных эффектов и т. д. Всё это надо изучать в опытах с животными, прежде чем переходить к опытам с людьми. Однако в фундаментальных исследованиях электрогенетические методы, вероятно, найдут применение уже довольно скоро.