تیمی از محققان، یک کلید فعال شونده با نور طراحی کرده‌اند که می‌تواند ژنها را در سلولهای پستانداران، فعال یا غیرفعال کند. این، کارآمدترین “کلید اپتوژنتیک” است که توسط نور قرمز و طول موجهای پایین‌تر (far-red lights) فعال می‌شود و بطور موفقیت آمیزی در سلولهای حیوانات، طراحی و آزمایش شده است.
مقاله مرتبط: اپتوژنتیک: شناسایی هدف‌های جدید برای مداخله
کلید ژنتیکی که توسط نور فعال می‌شود، می‌تواند برای فعال یا غیر فعال ساختن ژنها در ژن درمانی‌ها، غیر فعال کردن بیان ژن در درمانهای آینده سرطان، و پایش و فهم عملکرد ژن در موقعیتهای مختلف در بدن انسان مورد استفاده قرار گیرد.
تیم تحقیق که توسط مهندسان زیستی دانشگاه San Diego کالیفرنیا هدایت می‌شد، یافته‌های خود را در نشریه آنلاین ACS Synthetic Biology منتشر کردند.
تاد کلمن، استاد مهندسی زیستی در دانشکده مهندسی Jacobs دانشگاه San Diego و یکی از مولفین مسئول این پژوهش گفت: “قادر بودن به کنترل ژنهای (سلولهای) بدن در موقعیتها و زمانهای مخصوص بدون افزودن عناصر خارجی، هدف طولانی مدت تیم ماست. ما ژنها را در بسیاری از طول موجهای دلخواه کنترل می‌کنیم”.
موفقیت محققان در ساخت این کلید بر پایه‌ی ۲ دیدگاه استوار است. اول، سلولهای حیوانی، امکانات لازم برای تامین الکترونها بمنظور حساس ساختن مولکولها به نور قرمز را ندارند. این، به مانند داشتن یک سشوار و خروجی برق از یک کشور دیگر بدون داشتن سیم برق و مبدل خروجی است. بهمین منظور محققان تحت رهبری فیلیپ کیریاکاکیس، بدنبال ساخت آنها بودند.
برای سیم برق، آنها از فردوکسین (ferredoxin) گیاهی و باکتریایی، یک پروتئین آهن و گوگرد که الکترونها را در تعدادی از واکنشها تامین می‌کند، استفاده کردند. فردوکسین در سلولهای حیوانی به شکل متفاوتی از نوع موجود در باکتری‌ها و نوع گیاهی وجود دارد. بهمین منظور، آنزیمی تحت عنوان Ferredoxin NADP reductase، بعنوان مبدل خروجی عمل کرد. در نتیجه، سلولهای حیوانی اکنون قادر به انتقال الکترونهای کافی از یک منبع انرژی به آنزیمهای دیگر که مولکولهای مورد نیاز برای کلید فعال شونده توسط نور را تولید می‌کنند، هستند.
دیدگاه دوم این بود که سیستم ساخت مولکولهای حساس به نور، باید درون میتوکندری سلول (کارخانه انرژی سلول) قرار داده شود. با ادغام این دو دیدگاه، محققان قادر بودند تا یک سیستم گیاهی برای کنترل ژنها با نور قرمز درون سلولهای حیوانی، ایجاد کنند.
نور قرمز یک گزینه ایمن برای فعال ساختن کلیدهای ژنتیکی است زیرا این نور به آسانی از بدن انسان می‌گذرد. یک راه آسان برای نشان دادن این مورد این است که دست خود را بر روی چراغ قوه روشن تلفن هوشمند خود قرار دهید. نور قرمز برخلاف دیگر رنگها به چشم می‌خورد زیرا بدن توانایی جذب آن را ندارد. و بدلیل اینکه توسط بدن جذب نمی‌شود، می‌تواند از بافتها بدون آسیب رساندن به آنها بگذرد و به عمیق‌ترین نقطه بدن برای کنترل ژنها، دست یابد.
مقاله مرتبط: اپتوژنتیک و سیستم‌های پیچیده سلولی
مهندسان زیستی یک دستگاه جمع و جور کوچک برای فعال کردن کلید با نور قرمز و طول موجهای پایین‌تر، طراحی و ایجاد کردند. این ابزار محققان را قادر می‌سازد تا مدت زمان تابش نور را در حد میلی ثانیه کنترل کنند. همچنین آنها را قادر می‌سازد تا نقاط بسیار خاص را مورد هدف قرار دهند. محققان نشان دادند که ژنهایی که توسط این کلید حتی با یک تکانه نور کوتاه فعال می‌شوند، در بسیاری از سلولهای پستانداران برای ساعتهای زیاد فعال باقی می‌مانند.
تیم تحقیق اخیرا یک کمک هزینه داخلی برای استفاده از این روش در کنترل فعالسازی ژنها در نقاط خاص مغز را دریافت کرد. این رویکرد، آنها را در درک بهتر عملکرد ژن در اختلالات عصبی مختلفی، یاری خواهد کرد.
محققان، استفاده از فردوکسین و FNR بمنظور هدف قرار دادن آنزیمهای مورد نیاز برای ساخت مولکولهای حساس به نور، به اسم خود ثبت کردند. این تکنولوژی برای تبدیل به لیسانس مورد دسترس است.
مهمتر، آگاهی به چگونگی ساخت مولکولهای گشاهی در سلولهای حیوانی می‌تواند روزی به توانایی برای ساخت دیگر مولکولهای بیانجامد که کشت گیاهان بدون نیاز به کود و تولید سوختهای زیستی کارآمدتر را بدنبال داشته باشد.
