細(xì)胞內(nèi)基因組編輯的一個主要障礙是細(xì)胞本身。“人類細(xì)胞不喜歡吸收東西，”加州大學(xué)圣塔芭芭拉分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系教授Norbert Reich解釋道。他解釋說，人體細(xì)胞已經(jīng)發(fā)展出一種“垃圾處理”機(jī)制，可以分離和分解外來蛋白質(zhì)和其他不需要的生物分子，病原體甚至是受損的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此，對于生物技術(shù)，生物制藥學(xué)和基因組研究和治療學(xué)等領(lǐng)域的人們 - 例如那些使用基因編輯劍圣CRISPR-Cas9技術(shù)的人 - 結(jié)果與他們有效地繞過這種防御機(jī)制并準(zhǔn)確地將蛋白質(zhì)引入的能力一樣好。動物細(xì)胞。

帝國和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出這樣的方法。他們的技術(shù)估計(jì)比現(xiàn)有方法效率高100到1,000倍，為用戶提供了基因組編輯傳遞的完整時空控制，實(shí)際上可以讓他們確切地決定何時何地釋放基因組編輯蛋白。

“我們實(shí)際上可以擊中單個細(xì)胞，”Reich說。“我們甚至可以擊中細(xì)胞的一部分，這樣我們就可以將蛋白質(zhì)釋放到細(xì)胞的一部分中。但重點(diǎn)是我們可以控制這種切割DNA的蛋白質(zhì)何時何地被釋放“。

Reich的研究小組“Light-Triggered Genome Editing：Cre Recombinase Mediated Gene Editing with Near-Infrared Light”的研究發(fā)表在Small雜志上。

生物技術(shù)領(lǐng)域最近取得的一項(xiàng)突破性目標(biāo)是使用基因編輯蛋白 - “分子剪刀”，例如CRISPR，Cas，在本研究中，Cre-可以發(fā)現(xiàn)，切割和粘貼靶DNA序列的特定部分。最初是細(xì)菌和古細(xì)菌用來識別攻擊病毒的DNA并將其標(biāo)記為破壞的防御機(jī)制，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出使用各種蛋白質(zhì)識別，切割和結(jié)合不同長度的堿基對序列的方法。該技術(shù)的潛力巨大，范圍從確定基因功能和鑒定的基礎(chǔ)研究到可以修復(fù)細(xì)胞水平缺陷的治療方法。

帝國集團(tuán)的光觸發(fā)基因組編輯的關(guān)鍵是空心金納米球，其上涂有DNA報告鏈(它們發(fā)紅色熒光)和Cre重組酶和細(xì)胞穿透肽的蛋白質(zhì)融合。和近紅外光。

“所以現(xiàn)在我們有一個歸巢裝置和一個遞送劑，”Reich說，解釋說Cre重組酶和肽融合作為靶向系統(tǒng)，當(dāng)靶細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞垃圾處理時發(fā)揮作用。

一旦進(jìn)入細(xì)胞，納米殼被包裹在內(nèi)體 - 一個膜狀口袋中，隔離它并將其運(yùn)輸通過細(xì)胞。

“但是納米殼沒有做任何事情，因?yàn)樗鼈儽徽T捕了，”Reich說。超快脈沖近紅外激光 - 對細(xì)胞無害并且在組織穿透方面是有效的 - 然后針對包埋的納米殼及其蛋白質(zhì)涂層。

“近紅外波長引起了一件非常有趣的事情，”Reich說。“它導(dǎo)致金納米殼變得興奮，它會導(dǎo)致我們所附著的任何東西脫落。”同時，納米氣泡形成，在內(nèi)體中產(chǎn)生開口并允許其蛋白質(zhì)內(nèi)容物逃逸。這些蛋白質(zhì)現(xiàn)在可以自由地存在于細(xì)胞的細(xì)胞核中，在細(xì)胞核中儲存其遺傳物質(zhì)，并通過細(xì)胞穿透肽獲得進(jìn)入。并且Cre可以開始尋找，切割和粘貼其記者鏈進(jìn)入螺旋線。

該小組的體外實(shí)驗(yàn)證明是成功的：經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)后，細(xì)胞穿透蛋白質(zhì)涂層的納米殼，然后照射，發(fā)出紅光。

“我們沒有設(shè)計(jì)任何可以使細(xì)胞表現(xiàn)不同的東西，”Reich說。“由于這種熒光蛋白，我們制造的細(xì)胞看起來會有所不同。”

該論文的主要作者，現(xiàn)任洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室博士后研究員的Dean Morales說：“作為一種基礎(chǔ)研究工具，通過時空控制，每個細(xì)胞都可以成為一個實(shí)驗(yàn)。想象一下，你想研究一定的功能?；蛞约八绾瓮ㄟ^近鄰來改變細(xì)胞的行為或其行為。利用等離子體納米粒子作為天線，我們可以打開或關(guān)閉感興趣的基因，并實(shí)時觀察其活動的后果。

時空控制還允許那些使用它的人輕易地研究DNA，研究人員承認(rèn)，重寫它具有非常強(qiáng)大的跨代效應(yīng)。

“在某些情況下，如體細(xì)胞突變，并非身體中的每個細(xì)胞都需要編輯，”莫拉萊斯說。“控制編輯機(jī)器可以在何時何地使用的能力提供了對過程的過渡。這一點(diǎn)的重要性在于，目前的基因編輯方法通常會導(dǎo)致編輯機(jī)器在目標(biāo)細(xì)胞中保持活躍狀態(tài)??，未知長期的影響。我們的方法以短暫的方式提供編輯機(jī)器，從而避免了這個問題。“