Naukowcy opracowali nową metodę kontroli ekspresji genów z niespotykaną dotąd precyzją za pomocą światła. To osiągnięcie, opublikowane w Nature Chemistry, wprowadza odwracalny fotoprzełącznik ukierunkowany na DNA G-kwadrupleks [gee-quad-ru-plex]. Ta molekularna innowacja może prowadzić do dynamicznych, nieinwazyjnych technologii regulacji genów.
Badania koncentrują się na strukturach DNA G-kwadrupleksu (G4), unikalnych czteroniciowych konfiguracjach występujących w sekwencjach bogatych w guaninę w genomie. G4 są zaangażowane w kluczowe procesy komórkowe, takie jak transkrypcja i replikacja. Naukowcy zaprojektowali fotoprzełączalną cząsteczkę, która selektywnie wiąże się z tymi strukturami G4.
Ten fotoprzełącznik moduluje konformację G4 w odpowiedzi na określone długości fal światła. Umożliwia to przestrzenną i czasową kontrolę ekspresji genów. Naukowcy mogą skutecznie „włączać” lub „wyłączać” aktywność genów w żywych komórkach, świecąc światłem o odpowiednim kolorze.
Fotoprzełącznik jest oparty na pochodnych azobenzenu [azo-ben-zene], cząsteczkach znanych z indukowanej światłem odwracalnej izomeryzacji. Zespół zoptymalizował szkielet chemiczny, aby zapewnić powinowactwo wiązania i specyficzność dla DNA G4. Długości fal światła w zakresie widzialnym powodują transformacje strukturalne bez powodowania znaczących uszkodzeń komórek przez światło.
Walidacja eksperymentalna wykazała, że napromieniowanie jedną długością fali światła stabilizuje strukturę G4, utrudniając wiązanie czynnika transkrypcyjnego i zmniejszając ekspresję genu docelowego. I odwrotnie, ekspozycja na alternatywną długość fali indukuje izomeryzację fotoprzełącznika, rozluźniając konformację G4 i przywracając transkrypcję genu. Ta kontrola dwuzakresowa umożliwia precyzyjną regulację genów.
Możliwość zdalnej i odwracalnej modulacji określonych genów jest obiecująca dla rozwoju terapii genowych następnej generacji. Geny związane z chorobami można by ukierunkować i wyciszyć w razie potrzeby oraz reaktywować w miarę ewolucji stanu pacjenta. Można to osiągnąć za pomocą impulsów świetlnych aplikowanych zewnętrznie.
Zespół opracował fotoprzełączniki reagujące na światło czerwone i bliskiej podczerwieni, długości fal, które wnikają głębiej w tkanki. Rozległe testy toksyczności potwierdziły, że związki fotoprzełączników i ich cykle aktywacji światłem nie indukują cytotoksyczności ani niestabilności genomowej. Zapewnia to, że system może być bezpiecznie stosowany w warunkach eksperymentalnych i klinicznych.
Modularna strategia projektowania ułatwia dalszą funkcjonalizację i dostrajanie fotoprzełącznika. Przyszłe iteracje mogłyby obejmować ligandy celujące lub reportery fluorescencyjne. Autorzy przewidują, że technologia ta zostanie zintegrowana z istniejącymi podejściami optogenetycznymi i nanotechnologicznymi w celu wzmocnienia modulacji genetycznej.