斯坦福大学的科学家们设计细胞来进行基因引导的建设项目

斯坦福大学的研究人员已经开发出一种技术,可以利用科学家提供的合成材料对细胞进行重新编程,从而构建能够在体内执行功能的人工结构。

斯坦福大学的科学家们已经开发了一项涉及生物相容聚合物(以黄金表示)的技术,这种聚合物可以是电绝缘的或导电的。当有选择地沉积在细胞上时,就像这里显示的神经元,它们调节目标细胞的特性。(图片来源:Ella Maru工作室和Yoon Seok Kim/Jia Liu, deisthrth /Bao实验室,斯坦福大学)

“我们把细胞变成了某种化学工程师,利用我们提供的材料来构建功能性聚合物,以特定的方式改变它们的行为,”生物工程和精神病学与行为科学教授卡尔·戴瑟罗斯(Karl deis血清)说,他是这项研究的负责人之一。

在3月20日的《科学》(Science)杂志上,研究人员解释了他们是如何开发出基因靶向化学组装(GTCA)的,并利用这种新方法在哺乳动物的脑细胞和秀丽隐杆线虫(C. elegans)的神经元上构建人工结构的。这些结构是用两种不同的生物相容性材料制成的,每一种材料都具有不同的电子性能。一种材料是绝缘体,另一种是导体。

该研究的负责人之一、化学工程教授鲍哲南(音)说,虽然目前的实验主要集中在脑细胞或神经元上,但GTCA也应该适用于其他类型的细胞。鲍说:“我们已经开发了一个技术平台,可以利用人体细胞的生化过程。”

探索的工具

研究人员首先对他们想要影响的细胞进行基因重组。他们通过使用标准的生物工程技术来传递指令,向特定的神经元中添加一种叫做APEX2的酶。

接下来,科学家们将蠕虫和其他实验组织浸泡在含有两种活性成分的溶液中——极低的、非致死剂量的过氧化氢,以及他们想要细胞用于建筑工程的数十亿分子原料。

过氧化氢与带有APEX2酶的神经元之间的接触引发了一系列的化学反应,这些化学反应将原料分子熔合在一起形成一种称为聚合物的链,从而形成网状物质。通过这种方式,研究人员能够在他们想要的神经元周围编织具有绝缘或导电特性的人工网络。

聚合物改变了神经元的性质。根据形成的聚合物不同,神经元的反应是快还是慢,而当这些聚合物在秀丽隐杆线虫的细胞中生成时,线虫的爬行运动发生了相反的变化。

在哺乳动物细胞实验中,研究人员在老鼠大脑的活体切片和培养的老鼠大脑神经元上进行了类似的聚合形成实验,并验证了合成的聚合物的导电或绝缘性能。最后,他们将一种低浓度的过氧化氢溶液和数百万的原材料分子注入活老鼠的大脑,以证实这些元素在一起是无毒的。

deis血清思说:“我们有的不是医学应用,而是探索的工具。“但是这些工具可以用来研究由神经周围的髓磷脂绝缘层磨损引起的多发性硬化,如果能诱导病变细胞形成绝缘聚合物作为替代,多发性硬化可能会有什么反应。”研究人员可能还会探索,在自闭症或癫痫患者失火的神经元上形成导电聚合物,是否可能改变这些情况。

接下来,研究人员想要探索他们的细胞靶向技术的变体。GTCA可用于生产多种功能材料,通过不同的化学信号实现。“在这个化学和生物学的新界面上,我们正在想象一个充满各种可能性的世界,”戴瑟罗斯说。

Karl deis血清是D.H. Chen教授,生物工程和if精神病学及行为科学教授,霍华德·休斯医学研究所研究员。他是斯坦福大学生物x和吴仔神经科学研究所的成员。李的鲍哲南株式会社是工程学院的教授,研究能源研究所高级研究员和教授,礼貌,材料科学与工程和化学。她是斯坦福生物x、斯坦福化学h和斯坦福伍兹环境研究所的成员。其他斯坦福的作者包括:病理学和生物学教授沈康;精神病学和行为科学助理教授Sergiu P. Pasca;化学工程实验室主任Jeffrey B. Tok;Lief Fenno,研究型精神病学住院医师;生命科学研究教授Lydia-Marie Joubert;博士后或访问学者刘佳,Claire Richardson, Xiao Wang, Cheng Wang, Toru Katsumata, Huiliang Wang, Yuanwen Jiang, Fikri Birey;PdD学生Yoon Seok Kim, Ariane Tom,和Shucheng Chen;以及生命科学研究助理Charu Ramakrishnan。

该研究人员得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、斯坦福生物x、乌仔神经科学研究所、宽正国际奖学金、美国先进光源能源部设施和斯坦福纳米haredfacilities的部分支持。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/03/19/cells-carry-gene-guided-construction-projects/

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