Ljudski životni vek je povezan sa starenjem naših pojedinačnih ćelija. Pre tri godine grupa istraživača sa Univerziteta Kalifornije u San Dijegu dešifrovala je suštinske mehanizme koji stoje iza procesa starenja. Nakon što su identifikovali dva različita pravca koja ćelije slede tokom starenja, istraživači su genetski manipulisali ovim procesima kako bi produžili životni vek ćelija.
Kao što je opisano u novom članku objavljenom 27. aprila 2023. u časopisu Science, tim je sada proširio ovo istraživanje koristeći sintetičku biologiju kako bi napravio rešenje koje sprečava ćelije da dostignu normalne nivoe propadanja povezanih sa starenjem.
Ćelije, uključujući ćelije kvasca, biljaka, životinja i ljudi, sve sadrže regulatorna kola gena koja su odgovorna za mnoge fiziološke funkcije, uključujući starenje. „Ova kola gena mogu funkcionisati kao naša kućna električna kola koja kontrolišu uređaje kao što su uređaji i automobili“, rekao je profesor Nan Hao sa Odeljenja za molekularnu biologiju Škole bioloških nauka, stariji autor studije i ko-direktor UC San Diego.
Međutim, grupa UC San Diego otkrila je da, pod kontrolom centralnog regulacionog kola gena, ćelije ne stare nužno na isti način. Zamislite automobil koji stari ili kako se motor pokvari ili kako se menjač istroši, ali ne oboje u isto vreme. Tim UC San Diego zamislio je „pametni proces starenja“ koji produžava ćelijsku dugovečnost ciklusom pogoršanja od jednog mehanizma starenja do drugog.
U novoj studiji, istraživači su genetski promenili kolo koje kontroliše starenje ćelija. Od svoje normalne uloge koja funkcioniše kao prekidač, oni su konstruisali negativnu povratnu petlju kako bi zaustavili proces starenja. Preoblikovano kolo funkcioniše kao uređaj nalik satu, nazvan genski oscilator, koji pokreće ćeliju da se povremeno prebacuje između dva štetna „ostarela“ stanja, izbegavajući produženu posvećenost jednom i drugom, i na taj način usporavajući degeneraciju ćelije.
Ovaj napredak je rezultirao dramatično produženim životnim vekom ćelije, postavljajući novi rekord za produženje života putem genetskih i hemijskih intervencija.
Kao što elektroinženjeri često rade, istraživači u ovoj studiji prvo su koristili kompjuterske simulacije kako funkcioniše kolo za starenje jezgra. Ovo im je pomoglo da dizajniraju i testiraju ideje pre izgradnje ili modifikacije kola u ćeliji. Ovaj pristup ima prednosti u uštedi vremena i resursa za identifikaciju efikasnih strategija produženja veka, u poređenju sa tradicionalnijim genetskim strategijama.
„Ovo je prvi put da su kompjuterski vođeni sintetička biologija i inženjerski principi korišćeni za racionalno redizajniranje genskih kola i reprogramiranje procesa starenja kako bi se efikasno promovisala dugovečnost“, rekao je Hao.
Pre nekoliko godina, multidisciplinarni istraživački tim UC San Diego počeo je da proučava mehanizme iza starenja ćelija, složenog biološkog procesa koji leži u osnovi ljudske dugovečnosti i mnogih bolesti. Otkrili su da ćelije prate kaskadu molekularnih promena tokom celog svog životnog veka sve dok na kraju ne degenerišu i umru. Ali primetili su da ćelije istog genetskog materijala i unutar istog okruženja mogu da putuju različitim putevima starenja. Otprilike polovina ćelija stari kroz postepeni pad stabilnosti DNK, gde se čuvaju genetske informacije. Druga polovina stari na putu koji je povezan sa opadanjem mitohondrija, jedinica za proizvodnju energije ćelija.
Novo dostignuće sintetičke biologije ima potencijal da rekonfiguriše naučne pristupe kašnjenju u starosti. Za razliku od brojnih hemijskih i genetskih pokušaja da se ćelije nateraju u veštačka stanja „mladosti“, novo istraživanje pruža dokaze da je usporavanje otkucaja sata starenja moguće aktivnim sprečavanjem ćelija da se posvete unapred određenom putu opadanja i smrti, a genski oscilatori nalik časovniku mogli bi biti univerzalni sistem za postizanje toga.
„Naši rezultati uspostavljaju vezu između arhitekture genske mreže i ćelijske dugovečnosti koja bi mogla dovesti do racionalno dizajniranih genskih kola koja usporavaju starenje“, napominju istraživači u svojoj studiji.
Tokom svog istraživanja, tim je proučavao ćelije kvasca Saccharomices cerevisiae kao model za starenje ljudskih ćelija. Razvili su i koristili mikrofluidiku i mikroskopiju sa vremenskim odmakom kako bi pratili procese starenja tokom životnog veka ćelije.
U trenutnoj studiji, ćelije kvasca koje su sintetički ponovo ožičene i stare pod upravom uređaja sintetičkog oscilatora rezultirale su 82% produženjem životnog veka u poređenju sa kontrolnim ćelijama koje su stare pod normalnim okolnostima. Rezultati su otkrili „najizraženije produženje životnog veka kvasca koje smo primetili sa genetskim poremećajima“, primetili su.
„Naše oscilatorne ćelije žive duže od bilo kog od najdugovečnijih sojeva koji su prethodno identifikovani nepristrasnim genetskim ekranima“, rekao je Hao.
„Naš rad predstavlja primer dokaza o konceptu, koji pokazuje uspešnu primenu sintetičke biologije za reprogramiranje procesa ćelijskog starenja“, napisali su autori, „i može postaviti osnovu za dizajniranje sintetičkih genskih kola za efikasno promovisanje dugovečnosti u složenijim organizmima .“
Tim trenutno proširuje svoja istraživanja na starenje različitih tipova ljudskih ćelija, uključujući matične ćelije i neurone.
