Ricercatori del Politecnico federale di Zurigo (Eth),
lo studio è stato pubblicato su 'Nature Communication', sono riusciti a creare
un legame tra pensieri e cellule, permettendo alle persone di
"accendere" i geni dei topi utilizzando solo il pensiero.
"E' la prima volta che qualcuno ha collegato la
biologia sintetica e la mente", ha detto Martin Fussenegger, bioingegnere
che ha guidato lo studio.
Gli scienziati sperano che questa nuova tecnologia
possa aiutare le persone impossibilitate a muoversi e parlare a fare le cose
autonomamente, come prendere un farmaco. Si potrebbe anche aiutare i pazienti
con epilessia nel controllo delle convulsioni. Per arrivare a queste
conclusioni i ricercatori hanno iniziato inserendo un gene sensibile alla luce
dentro cellule renali umane su un disco.
Il gene e'
stato attivato o espresso quando esposto alla luce infrarossa. Le cellule sono
state progettate in modo che quando il gene viene attivato si verifica una
serie di reazioni chimiche a cascata che portano all'espressione di un altro
gene. Successivamente i ricercatori hanno messo le cellule in un impianto di
piccolissime dimensioni, accanto a un Led a infrarossi che puo' essere
controllato in wireless. L'impianto e' stato inserito sotto la pelle in un
topo. Una membrana semipermeabile ha consentito ai nutrienti vitali del sangue
degli animali di raggiungere l'interno delle cellule.
Una volta "preparato" all'esperimento il
topo, i ricercatori hanno fatto indossare a otto persone dispositivi EEG per
monitorare le onde cerebrali.
Ai soggetti
e' stato 'insegnato' a evocare diversi stati mentali che il dispositivo puo'
riconoscere da distinte onde cerebrali.
In
particolare, ai volontari sono state mostrate tecniche di meditazione per la
produzione di un modello di "rilassamento" delle onde cerebrali, e
hanno giocato al computer per produrre modelli che riflettono una profonda
concentrazione.
Inoltre hanno usato una tecnica nota come
biofeedback, in cui hanno imparato per tentativi a controllare i loro pensieri
per accendere una serie di luci su un computer.
Collegando
il dispositivo EEG dei volontari all'impianto wireless del topo, i soggetti
sono stati in grado di accendere il led utilizzando uno dei tre stati mentali.
Questo attiva il gene sensibile alla luce nelle cellule renali che, a sua
volta, ha portato all'attivazione del gene bersaglio. Una proteina umana e'
stato prodotta ed e' passata attraverso la membrana dell'impianto e nel sangue
del roditore, dove e' stato possibile rilevarla.
ENGLISH VERSION
ETH researchers
led by Professor Martin Fussenegger have developed the first gene network to be
operated via brainwaves. Depending on the user’s thoughts, it can produce
various amounts of a desired molecule. The inspiration behind the project was a
game that picks up brainwaves in order to guide a ball through an obstacle
course.
It sounds like
something from the scene in Star Wars where Master Yoda instructs the young
Luke Skywalker to use the force to release his stricken X-Wing from the swamp: Marc
Folcher and other researchers from the group led by Martin Fussenegger,
Professor of Biotechnology and Bioengineering at the Department of Biosystems
(D-BSSE) in Basel, have developed a novel gene regulation method that enables
thought-specific brainwaves to control the conversion of genes into proteins –
called gene expression in technical terms.
“For the first
time, we have been able to tap into human brainwaves, transfer them wirelessly
to a gene network and regulate the expression of a gene depending on the type
of thought. Being able to control gene expression via the power of thought is a
dream that we’ve been chasing for over a decade,” says Fussenegger.
A source of
inspiration for the new thought-controlled gene regulation system was the game Mindflex,
where the player wears a special headset with a sensor on the forehead that
records brainwaves. The registered electroencephalogram (EEG) is then
transferred into the playing environment. The EEG controls a fan that enables a
small ball to be thought-guided through an obstacle course.
“Controlling
genes in this way is completely new and is unique in its simplicity,” explains
Fussenegger. The light-sensitive optogenetic module that reacts to
near-infrared light is a particular advancement. The light shines on a modified
light-sensitive protein within the gene-modified cells and triggers an
artificial signal cascade, resulting in the production of SEAP. Near-infrared
light was used because it is generally not harmful to human cells, can
penetrate deep into the tissue and enables the function of the implant to be
visually tracked.
The system
functions efficiently and effectively in the human-cell culture and human-mouse
system.
Fussenegger
hopes that a thought-controlled implant could one day help to combat
neurological diseases, such as chronic headaches, back pain and epilepsy, by
detecting specific brainwaves at an early stage and triggering and controlling
the creation of certain agents in the implant at exactly the right time.
ABSTRACT
Mind-controlled transgene expression by a
wireless-powered optogenetic designer cell implant
Marc Folcher,Sabine Oesterle, Katharina
Zwicky, Thushara Thekkottil, Julie
Heymoz, Muriel Hohmann, Matthias Christen, Marie Daoud El-Baba,
Peter Buchmann & Martin Fussenegger
Nature Communications 5,Article number: 5392 doi:10.1038/ncomms6392 Published 11 November 2014
Synthetic
devices for traceless remote control of gene expression may provide new
treatment opportunities in future gene- and cell-based therapies. Here we
report the design of a synthetic mind-controlled gene switch that enables human
brain activities and mental states to wirelessly programme the transgene
expression in human cells. An electroencephalography (EEG)-based brain–computer
interface (BCI) processing mental state-specific brain waves programs an
inductively linked wireless-powered optogenetic implant containing designer
cells engineered for near-infrared (NIR) light-adjustable expression of the
human glycoprotein SEAP (secreted alkaline phosphatase). The synthetic
optogenetic signalling pathway interfacing the BCI with target gene expression consists
of an engineered NIR light-activated bacterial diguanylate cyclase (DGCL)
producing the orthogonal second messenger cyclic diguanosine monophosphate
(c-di-GMP), which triggers the stimulator of interferon genes
(STING)-dependent induction of synthetic interferon-β promoters. Humans
generating different mental states (biofeedback control, concentration,
meditation) can differentially control SEAP production of the designer cells
in culture and of subcutaneous wireless-powered optogenetic implants in mice.
NATURE COMMUNICATION
