Długość życia człowieka jest związana ze starzeniem się poszczególnych komórek. Trzy lata temu grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego rozszyfrowała podstawowe mechanizmy stojące za procesem starzenia. Po zidentyfikowaniu dwóch różnych kierunków, w których podążają komórki podczas starzenia, naukowcy genetycznie zmanipulowali te procesy, aby wydłużyć żywotność komórek.
Jak opisano 28 kwietnia 2023 r. w Science, teraz rozszerzyli te badania, wykorzystując biologię syntetyczną, aby opracować rozwiązanie, które powstrzymuje komórki przed osiągnięciem normalnego poziomu degradacji związanego ze starzeniem. Komórki, w tym komórki drożdży, roślin, zwierząt i ludzi, zawierają obwody regulacyjne genów, które są odpowiedzialne za wiele funkcji fizjologicznych, w tym za starzenie.
“Te obwody genów mogą działać jak nasze domowe obwody elektryczne, które kontrolują urządzenia, takie jak urządzenia i samochody” – powiedział profesor Nan Hao z Wydziału Biologii Molekularnej Szkoły Nauk Biologicznych, główny autor badania i współdyrektor UC San Diego’s Instytut Biologii Syntetycznej.
Jednak grupa z UC San Diego odkryła, że pod kontrolą centralnego obwodu regulacyjnego genów komórki niekoniecznie starzeją się w ten sam sposób. Wyobraź sobie samochód, który starzeje się w miarę zużywania się silnika lub skrzyni biegów, ale nie w tym samym czasie. Zespół z UC San Diego przewidział „inteligentny proces starzenia”, który wydłuża żywotność komórek poprzez cykliczne niszczenie z jednego mechanizmu starzenia do drugiego.
W nowym badaniu naukowcy genetycznie zmienili obwód, który kontroluje starzenie się komórek. Z jego normalnej roli działającej jak przełącznik dwustabilny, opracowali pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego, aby zatrzymać proces starzenia. Ponownie okablowany obwód działa jak urządzenie podobne do zegara, zwane oscylatorem genów, które powoduje, że komórka okresowo przełącza się między dwoma szkodliwymi stanami „starzenia się”, unikając długotrwałego zaangażowania w którykolwiek z nich, a tym samym spowalniając degenerację komórki.
Postępy te zaowocowały radykalnym wydłużeniem życia komórek, ustanawiając nowy rekord w przedłużaniu życia poprzez interwencje genetyczne i chemiczne.
Jak to często robią inżynierowie elektrycy, naukowcy w tym badaniu najpierw wykorzystali symulacje komputerowe działania obwodu starzenia rdzenia. Pomogło im to zaprojektować i przetestować pomysły przed zbudowaniem lub zmodyfikowaniem obwodu w ogniwie. Takie podejście ma zalety w oszczędzaniu czasu i zasobów w celu zidentyfikowania skutecznych strategii przedłużających żywotność w porównaniu z bardziej tradycyjnymi strategiami genetycznymi.
„Po raz pierwszy sterowane komputerowo zasady biologii syntetycznej i inżynierii zostały użyte do racjonalnego przeprojektowania obwodów genów i przeprogramowania procesu starzenia, aby skutecznie promować długowieczność” – powiedział Hao.
Kilka lat temu multidyscyplinarny zespół badawczy z UC San Diego zaczął badać mechanizmy stojące za starzeniem się komórek, złożonym procesem biologicznym, który leży u podstaw długowieczności człowieka i wielu chorób. Odkryli, że komórki podążają kaskadą zmian molekularnych przez całe swoje życie, aż w końcu zdegenerują się i umrą. Zauważyli jednak, że komórki o tym samym materiale genetycznym iw tym samym środowisku mogą przemieszczać się różnymi drogami starzenia. Około połowa komórek starzeje się poprzez stopniowy spadek stabilności DNA, w którym przechowywana jest informacja genetyczna. Druga połowa starzeje się na ścieżce związanej z upadkiem mitochondriów, jednostek produkujących energię w komórkach.
Nowe osiągnięcie biologii syntetycznej może zmienić konfigurację naukowego podejścia do opóźniania starzenia się. W odróżnieniu od wielu chemicznych i genetycznych prób zmuszenia komórek do sztucznego stanu „młodości”, nowe badania dostarczają dowodów na to, że spowolnienie zegara starzenia jest możliwe poprzez aktywne zapobieganie wkroczeniu komórek na z góry wyznaczoną ścieżkę upadku i śmierci. a oscylatory genów podobne do zegara mogłyby być uniwersalnym systemem do osiągnięcia tego celu.
„Nasze wyniki ustalają związek między architekturą sieci genów a długowiecznością komórek, co może prowadzić do racjonalnie zaprojektowanych obwodów genów, które spowalniają starzenie” – zauważają naukowcy w swoich badaniach.
Podczas badań zespół badał komórki drożdży Saccharomyces cerevisiae jako model starzenia się komórek ludzkich. Opracowali i zastosowali mikroprzepływy i mikroskopię poklatkową do śledzenia procesów starzenia w całym okresie życia komórki.
W obecnym badaniu komórki drożdży, które zostały syntetycznie zmienione i starzone pod kierunkiem urządzenia z syntetycznym oscylatorem, spowodowały wzrost długości życia o 82% w porównaniu z komórkami kontrolnymi, które starzeją się w normalnych warunkach. Wyniki ujawniły „najbardziej wyraźne wydłużenie życia drożdży, które zaobserwowaliśmy w przypadku zaburzeń genetycznych” – zauważyli.
„Nasze komórki oscylatorowe żyją dłużej niż którykolwiek z najdłużej żyjących szczepów zidentyfikowanych wcześniej za pomocą obiektywnych badań genetycznych” – powiedział Hao.
„Nasza praca stanowi przykład weryfikacji koncepcji, demonstrując udane zastosowanie biologii syntetycznej do przeprogramowania procesu starzenia się komórek” – napisali autorzy – „i może położyć podwaliny pod zaprojektowanie syntetycznych obwodów genów, aby skutecznie promować długowieczność w bardziej złożonych organizmach” ”.
Obecnie zespół rozszerza swoje badania na starzenie się różnych typów komórek ludzkich, w tym komórek macierzystych i neuronów.