Дослідники розробили новий метод контролю експресії генів з безпрецедентною точністю за допомогою світла. Це досягнення, опубліковане в Nature Chemistry, представляє ДНК G-квадруплекс [gee-quad-ru-plex], що націлює зворотний фотоперемикач. Ця молекулярна інновація може призвести до динамічних, неінвазивних технологій регулювання генів.
Дослідження зосереджується на G-квадруплексних (G4) структурах ДНК, унікальних чотириланцюгових конфігураціях, знайдених у багатих на гуанін послідовностях у геномі. G4 беруть участь у ключових клітинних процесах, таких як транскрипція та реплікація. Вчені розробили фотоперемикаючу молекулу, яка вибірково зв'язується з цими структурами G4.
Цей фотоперемикач модулює конформацію G4 у відповідь на певні довжини хвиль світла. Це дозволяє здійснювати просторовий і часовий контроль над експресією генів. Дослідники можуть ефективно «вмикати» або «вимикати» активність генів у живих клітинах, направляючи світло відповідного кольору.
Фотоперемикач базується на похідних азобензолу [azo-ben-zene], молекулах, відомих своєю індукованою світлом зворотною ізомеризацією. Команда оптимізувала хімічну структуру, щоб забезпечити спорідненість зв'язування та специфічність до ДНК G4. Довжини хвиль світла у видимому діапазоні викликають структурні перетворення, не завдаючи значної фотодеградації клітинам.
Експериментальна валідація показала, що опромінення однією довжиною хвилі світла стабілізує структуру G4, перешкоджаючи зв'язуванню фактора транскрипції та знижуючи експресію цільового гена. І навпаки, вплив альтернативної довжини хвилі індукує ізомеризацію фотоперемикача, розслабляючи конформацію G4 та відновлюючи транскрипцію генів. Цей подвійний контроль довжини хвилі забезпечує точне регулювання генів.
Здатність дистанційно та зворотно модулювати специфічні гени обіцяє розробку генних терапій наступного покоління. Гени, пов'язані з хворобами, можна націлювати та замовчувати, коли це необхідно, і знову активувати, коли стан пацієнта змінюється. Це можна досягти за допомогою зовнішньо застосованих світлових імпульсів.
Команда розробила фотоперемикачі, чутливі до червоного та ближнього інфрачервоного світла, довжини хвиль, які глибше проникають у тканини. Широкі тести на токсичність підтвердили, що сполуки фотоперемикачів та їхні цикли активації світлом не викликають цитотоксичності або геномної нестабільності. Це гарантує, що систему можна безпечно використовувати в експериментальних і клінічних умовах.
Модульна стратегія проектування полегшує подальшу функціоналізацію та налаштування фотоперемикача. Майбутні ітерації можуть включати націлювання на ліганди або флуоресцентні репортери. Автори передбачають, що ця технологія буде інтегрована з існуючими оптогенетичними та нанотехнологічними підходами для посилення генетичної модуляції.