Att träffa en petriskål med celler som innehöll ett modifierat virus med mönstrat rött ljus uppmuntrade till genuttryck som matchade mönstret. Experimentet av forskare vid Rice University bevisade effektiviteten av ett nytt genleveranssystem som kan styras med ljus. Upphovsman:Eric Gomez/Rice University
Ljus hjälper forskare från Rice University att kontrollera både infektiiviteten hos virus och genleverans till kärnorna i målcellerna.
Forskarna har utvecklat en metod för att använda två röda nyanser för att kontrollera nivån och den rumsliga fördelningen av genuttryck i celler via ett konstruerat virus.
Även om virus har utvecklats för att leverera gener till värdceller, de har fortfarande svårt att få sina nyttolaster från cytoplasman till cellens kärna, där genuttryck förekommer. Rislaboratorierna för bioingenjörerna Junghae Suh och Jeffrey Tabor har framgångsrikt hittat ett sätt att övervinna detta kritiska hinder.
Teamets forskning dyker upp i veckan i American Chemical Society journal ACS Nano .
Resultatet från laboratorier vid Rice's BioScience Research Collaborative kombinerar Suhs intresse av att designa virus för att leverera gener till målceller med Tabors kompetens inom optogenetik, där ljusreagerande proteiner kan användas för att kontrollera biologiskt beteende.
De byggde anpassade adeno-associerade virus (AAV) vektorer genom att införliva proteiner som naturligt kommer ihop när de utsätts för rött ljus (650-nanometer våglängder) och bryts isär när de utsätts för långt rött (750-nanometer våglängder). Dessa naturligt ljuskänsliga proteiner hjälper de virala kapsiderna -de hårda skalen som innehåller genetiska nyttolaster -kommer in i värdcellkärnorna.
AAV har varit den valda vektorn för genredigering genom CRISPR/Cas9, en teknik som visar löfte för att bota vissa genetiska sjukdomar, men cellkärnor utgör ett problem, Sa Suh.
Rice-universitetets doktorand Eric Gomez har en spiralformad mask han använde för att kontrollera genuttrycksmönster i en petriskål. Celler i skålen innehöll ett modifierat virus som reagerade på rött ljus och levererade sina genetiska laster till cellkärnorna. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
"Virus i allmänhet är relativt effektiva för att leverera gener till celler, men de upplever fortfarande stora begränsande hinder, "sa hon." Om du lägger till dessa virus i celler, de flesta verkar hänga utanför kärnan, och bara en liten bråkdel tar sig in, vilket är målet. "
Hon sa att teamet utnyttjade Tabor -laboratoriets expertis inom optogenetik för att öka AAV:s effektivitet. "Jeff arbetar med många olika typer av ljuskänsliga proteiner. Det par vi bestämde oss för identifierades först i växter.
"Ljus är riktigt trevligt eftersom du kan applicera det externt och du kan styra många aspekter:på vilka områden ljuset exponeras, exponeringens varaktighet, ljusets intensitet och, självklart, dess våglängd, " Hon sa.
Proteinparet innefattar fytokrom B och dess bindande partner fytokrom interagerande faktor 6 (PIF6), båda hittade i thale krasse. Forskarna genererade värdceller som uttrycker fytokrom B märkt med en nukleär lokaliseringssekvens, en liten peptid som är känd för att hjälpa till att transportera proteiner in i kärnan mer effektivt. Den mindre PIF6 fästes sedan på den yttre ytan av viruskapsiden.
"När virusen blir internaliserade i en värdcell, de ackumuleras runt kärnan naturligt, "Suh sa." Under icke -aktiverade förhållanden, de flesta virus fastnar där. Men när vi lyser aktiverande rött ljus på cellerna, dessa två växtproteiner dimeriseras - de kommer ihop - och på grund av kärnlokaliseringstaggen på fytokrom B, viruset dras in i kärnan. "
Detta är första gången optogenetiska proteiner har använts för att kontrollera infektiiviteten hos virus, Hon sa, lägga till, "Vi trodde inte att det skulle fungera så bra som det gjorde."
Rice University bioingenjör Junghae Suh, vänster, och doktoranden Eric Gomez ledde en studie där proteiner som svarar på ljus hjälpte virala kapsider att leverera sitt innehåll till cellkärnorna. Forskarna ser deras teknik som ett sätt att kontrollera genuttryck. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Huvudförfattare Eric Gomez, en doktorand i Suhs lab, och medförfattare Karl Gerhardt, en doktorand i Tabor lab, demonstrerade tekniken genom att aktivera mönster för AAV-infekterade celler i petriskålar genom att skina rött ljus på dem genom masker.
Suh sa att plattformen kan användas i framtiden för att kontrollera vilka celler och vävnader som uttrycker en gen och på vilken nivå. Strategin kan också användas i vävnadstekniska applikationer som bioställningar för implantation. "Här, du kanske vill samla stamceller för att utvecklas till rätt celler på något slags rumsligt samordnat sätt, " Hon sa.
Användningen i kroppen är längre bort, eftersom externt applicerat rött ljus bara går så långt genom vävnad för att nå mål. "I sista hand, det kommer att bero på vilken enhet du använder för att leverera ljuset, "sa hon." Men vi föreställer oss fall där du kan använda en kateter för att gå till den plats där du vill att virusen ska vara mycket mer smittsam. "
Suh sa att Rice labs arbetar för att göra nästa generation av kapsider både mer effektiva och mer levererbara. "Detta är bara det första steget, "sa hon." Vi har många frågor, som 'Kan vi verkligen göra detta in vivo?' typ frågor.
"Det har funnits en handfull papper som försökt göra den virusinfektionsprocessen lyhörd för ljus, men de var före optogenetikens tid, "Suh sa." De använde andra typer av syntetiska molekyler för att göra virus ljuskänsliga.
"Det verkar att använda det som Moder Natur redan har tillhandahållit i form av ljuskänsliga proteiner som fungerar riktigt bra för oss."
