Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om genexpressie met ongekende precisie te controleren met behulp van licht. Deze vooruitgang, gepubliceerd in Nature Chemistry, introduceert een DNA G-quadruplex [gee-quad-ru-plex] gerichte omkeerbare fotoschakelaar. Deze moleculaire innovatie zou kunnen leiden tot dynamische, niet-invasieve genregulatietechnologieën.
Het onderzoek richt zich op G-quadruplex (G4) DNA-structuren, unieke vierstrengsconfiguraties die voorkomen in guanine-rijke sequenties in het genoom. G4's zijn betrokken bij belangrijke cellulaire processen zoals transcriptie en replicatie. Wetenschappers ontwierpen een fotoschakelbaar molecuul dat selectief bindt aan deze G4-structuren.
Deze fotoschakelaar moduleert de conformatie van G4's in reactie op specifieke golflengten van licht. Dit maakt ruimtelijke en temporele controle over genexpressie mogelijk. Onderzoekers kunnen de genactiviteit in levende cellen effectief 'aan' of 'uit' zetten door licht van de juiste kleur te schijnen.
De fotoschakelaar is gebaseerd op azobenzeenderivaten [azo-ben-zene], moleculen die bekend staan om hun lichtgeïnduceerde omkeerbare isomerisatie. Het team optimaliseerde het chemische raamwerk om bindingsaffiniteit en specificiteit voor G4-DNA te garanderen. Lichtgolflengten in het zichtbare bereik veroorzaken structurele transformaties zonder significante fotoschade aan de cellen te veroorzaken.
Experimentele validatie toonde aan dat bestraling met één lichtgolflengte de G4-structuur stabiliseert, de binding van transcriptiefactoren belemmert en de expressie van het doelgen downreguleert. Omgekeerd induceert blootstelling aan een alternatieve golflengte fotoschakelaar-isomerisatie, waardoor de G4-conformatie ontspant en de gentranscriptie wordt hersteld. Deze dual-golflengte controle maakt nauwkeurige genregulatie mogelijk.
Het vermogen om specifieke genen op afstand en omkeerbaar te moduleren, is veelbelovend voor de ontwikkeling van gentherapieën van de volgende generatie. Ziekte-geassocieerde genen kunnen indien nodig worden gericht en tot zwijgen worden gebracht en opnieuw worden geactiveerd naarmate de toestand van de patiënt evolueert. Dit kan worden bereikt via extern toegepaste lichtpulsen.
Het team ontwikkelde fotoschakelaars die reageren op rood en nabij-infrarood licht, golflengten die dieper in weefsels doordringen. Uitgebreide toxiciteitsassays bevestigden dat de fotoschakelaarverbindingen en hun lichtactiveringscycli geen cytotoxiciteit of genomische instabiliteit induceren. Dit zorgt ervoor dat het systeem veilig kan worden gebruikt in experimentele en klinische omgevingen.
De modulaire ontwerpstrategie vergemakkelijkt verdere functionalisering en afstemming van de fotoschakelaar. Toekomstige iteraties kunnen targetingliganden of fluorescerende reporters bevatten. De auteurs voorzien dat deze technologie zal worden geïntegreerd met bestaande optogenetische en nanotechnologische benaderingen voor verbeterde genetische modulatie.