Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-hipoalergenni-kotki/

Хипоалергенни котки

Основна задача на имунната ни система е да ни предпазва от неприятели. Но понякога тя действа прекалено агресивно и се активира при попадането на дори безвредни за нас частици и субстанции в организма ни. Тези алергични реакции се изразяват с различни по сила и вид симптоми, някои от които животозастрашаващи. В общия случай алергичните реакции се третират с медикаменти, които пациентът приема. С все по-интензивното прилагане на генни редакции с помощта на CRISPR възможностите за терапия предлагат и изместване от пациентите към самите източници на алергените, ако те са от растителен или животински произход.

Счита се, че около 10–15% от хората имат алергия към котки, която се проявява с различни симптоми – от възпаление на лигавиците до астма. Основният им алерген е Fel d 1 – протеин, който се отделя в слюнката и мастните жлези на животните. Въпреки че някои породи отделят по-малко от него (например бенгалските, ориенталските късокосмести, сибирските котки и др.), в повечето случаи те също успяват да провокират алергичен отговор и няма напълно хипоалергенни котки. Точната функция на протеина не е известна, но учените са открили сходство със защитен токсин, отделян от яванското дебело лори, и протеин при мишките, който участва в подбора на партньор.

През годините са правени редица опити за потискане на този ген. Първоначалната стратегия е използването на антитела, които котките приемат с храната. Резултатите от това са обещаващи, но такъв тип „хранителни добавки“ са скъпи и котките трябва да ги приемат постоянно. Преди две години екип описа възможността за нарушаване на синтеза на Fel d 1 с помощта на CRISPR в тъканна култура. Логичното продължение на това е създаването на първите генно редактирани хипоалергенни котки, описани в публикация от началото на 2024 г.

Използвайки CRISPR, учените първо са направили ембрионални клетки, в които е проведена редакцията, пречеща на котките да синтезират алергена. След това тези ембриони са имплантирани и от тях са получени две котета – мъжко и женско. Мъжкото (Heavy) е „мозаечно“ – носи два типа редакции в гена. Женското (Haemi) е хетерозиготно: единият алел на гена е редактиран, а другият – не. Въпреки че редакцията е непълна, и двете животни отделят по-малко количество от протеина в сравнение с нередактирана котка. При Heavy резултатът е по-слаб – седем дни след като котките са изкъпани, нивата са почти сходни с тези при нередактираната котка. Разликата в Haemi е осезаема, понеже спадът е почти осем пъти в слюнката ѝ и почти шест пъти по козината.

Но най-драстична е разликата в сина им, хомозиготния Alsik, в който спадът е над 98%. Според учените алергенът, който откриват по него, може да е пренесен от нередактираните котки, тъй като всички животни са отглеждани в обща стая, симулираща нормален дом. Именно поради това екипът обявява, че е създадена първата хипоалергенна котка. За допълнително потвърждение на това Alsik е клониран, като и неговият клонинг Alsik C проявява същите качества и според генетичен анализ е идентичен с „родителя“ си. Авторите отбелязват, че редактираните котки, както и клонингът са здрави и активни и към момента нямат видими симптоми.

Преди да бъдат предложени на пазара, ще трябва да се проведе и клинично изследване, при което да се проследи отговорът на алергични пациенти. Първоначалните резултати изглеждат изключително обещаващи и най-вероятно, ако не се появи скрит здравословен проблем, любителите на котки ще могат да се радват на модерните си четирикраки приятели. Засега не е ясно как подобни животни ще бъдат регулирани, но със сигурност интересът към тях ще бъде висок, тъй като котките са едни от най-популярните домашни любимци.

Здрав корем – здрава глава

Ние сме гостоприемници на множество микроскопични обитатели, въпреки че мисълта за това е малко смущаваща. Най-голям брой от тях живеят в храносмилателната ни система – чревният микробиом. Това са множество микроорганизми, които населяват червата ни и ни помагат да усвояваме по-пълноценно храната, която приемаме.

Влиянието на микробиома върху психичното здраве е известен феномен. Един от предполагаемите механизми е по линия на разнообразието на видове и баланса между тях. Изпитанията на ефекта от евентуален дисбаланс при хора са трудни и обикновено се използват животински модели. Един от подходите е съществуващата микрофлора да се премахне с помощта на широкоспектърни антибиотици, след което животните да бъдат захранени с определени микроорганизми.

Интересно изследване е прехвърлянето в плъхове на посевки от пациенти с клинична депресия и от хора без оплаквания. Седмица след трансплантацията гризачите от първата група започват да показват признаци на влошено психично здраве – анхедония и тревожност. Забелязани са промени и в нивата на триптофан – една от незаменимите аминокиселини, прекурсор на серотонина, т.нар. „хормон на щастието“. Нарушенията на този метаболитен път са свързани с различни психични разстройства, като клинична депресия, биполярно разстройство и шизофрения. Авторите отбелязват, че между човека и плъха не може да се направи пълен паралел, но все пак експериментът е показателен за влиянието на микрофлората върху психичното ни състояние.

Нова публикация показва, че освен върху настроението, чревният микробиом може да има ефект и върху поведението ни. В случая експериментът е проведен с доброволци от германски университет. След като участниците са разделени в две групи за установяване на базово ниво, те се включват като приемащи в „игра с ултиматум“. В нея има двама участници – предлагащ и приемащ. Предлагащият има възможност да избере как да раздели определена сума (в изследването са 10 евро) – например да задържи 7, а приемащият да получи остатъка от 3. Ако приемащият се съгласи, двамата получават съответната сума и играта приключва, но ако откаже, тогава и двамата не получават нищо.

В продължение на седем седмици след провеждане на този първи рунд двете групи получават или достъпен на пазара продукт, съдържащ пре- и пробиотик, или плацебо. Резултатът при повтаряне на играта е изненадващ – първата група е станала по-склонна да отхвърли предложение, което ощетява участниците.

Промени има и в нивата на тирозин – прекурсор на невротрансмитера допамин. Така се прави връзка между нивата на триптофан и тирозин. Предишни изследвания са показали, че съотношението между серотонин и допамин има влияние върху вземането на решения в социален аспект, включително и прилагането на алтруистично наказание, както в случая на отхвърлянето на предложението в играта с ултиматум.

Установяването на пълното значение на тези взаимовръзки най-вероятно ще отнеме дълго време, но вече е ясно, че освен чрез блуждаещия (вагусен) нерв към централната нервна система се предава информация и чрез химически сигнали, върху които чревната ни микрофлора има учудващо голям ефект.

Хитри видри

Използването на инструменти не е явление, което се среща само при хората. Освен при по-близките ни примати това се наблюдава и при други бозайници, както и при птици, главоноги и др. Понякога животните си служат с тях за подслон или игра, но в повечето случаи е за по-лесно набавяне на храна.

Морските видри имат богата диета, като едни от любимите им храни са морски охлюви и таралежи – вероятно защото при тях лесно се достига до меките части. Но с промяната на климатичните условия популациите на тези видове понякога спадат рязко и на видрите им се налага да се хранят и с друга плячка. Това обикновено са раци, различни видове миди и малки охлюви, чиято черупка е по-твърда и създава известен проблем, тъй като при отварянето им видрите могат да наранят зъбите си. Ако зъбите им се износят или счупят, се създава сериозна опасност за животните – не могат да се хранят и са застрашени от гладна смърт.

Използването на камъни като наковалня или чук за отваряне на черупки е добре известно при видрите. Те дори имат специални „джобове“ под мишниците си, в които пазят любимите си камъни, докато се придвижват или хранят, за да са свободни и двете им ръце. За да разберат повече за това поведение, екип от учени и доброволци проследява 196 радиомаркирани видри в Калифорния.

Оказва се, че женските видри по-често използват инструменти. Според изследователите причината е, че са по-малки и по-трудно се справят с по-твърдите черупки. Така те успяват да се хранят с до 35% повече твърда храна, отколкото мъжките в същата популация. Това им дава предимство, защото диетата им е по-разнообразна и могат да се хранят по-обилно – обикновено изяждат около 25% от теглото си дневно. Бонус за дамите е, че зъбите им са в по-добро състояние, отколкото на мъжките.

За съжаление, популацията на тези видри в Калифорния е застрашена и се състои от около 3000 индивида. Те играят важна роля в регулацията на видовия състав и контролират популацията на морските таралежи. Хубавото е, че обикновено майките учат малките си да използват инструменти, така че най-вероятно поведението им ще продължи да се разпространява. Учените се надяват това своеобразно технологично развитие да помогне на видрите да се справят с променящата се диета и да започнат да увеличават броя си.

С аромат на ванилия

Ванилията е един от най-популярните аромати и се използва изключително широко в кулинарията и парфюмерията. Зад това ухание се крие молекулата ванилин – органично вещество, което се среща най-често в орхидеята Vanilla planifolia.

Тъй като естественият добив на ванилин от растението покрива много малка част от необходимите количества, съединението от дълго време се произвежда от химическата индустрия. В началото на миналия век като основен подход се налага преработката на остатъци от производството на хартия. При превръщането на дървесината в целулозната маса, от която по-късно се прави хартията, се получава течност с високо съдържание на лигнин. С помощта на меден катализатор лигнинът може да се окисли до ванилин.

Процесът е популярен до 70-те години на миналия век, когато е заменен от пряк химичен синтез от гваякол – вещество, което се среща и в природата, но като суровина се произвежда от петрол. В прехода има известна ирония – употребата на медни катализатори налага скъпа последваща обработка на продукта и отпадъците от производството, така че преминаването към нефтени суровини в случая се приема за по-екологично.

Интересно е да се отбележи, че в Норвегия все още има производство по старата технология. Една от причините е в потенциално по-плътния аромат, който би могъл да има ванилинът в този случай, тъй като не може да се пречисти напълно и в него остават малки количества примеси. Другата е, че според производителя има потребители, които биха избрали техния продукт, защото не се използва петрол.

Потенциално решение за проблема с обработката на отпадъците е предложено в началото на миналата година – замяната на медния катализатор с електричество, което прави технологията много по-екологична. Допълнителна полза е употребата на отпаден продукт, който обикновено се изгаря като източник на енергия. За получаване на ванилин той се обработва с натриева основа и карбонат и се пропуска електричество, което катализира реакцията, като добивът достига до 6% от вложената суровина. Понеже и двата химикала се използват за направата на хартия, производството на ванилин може да се включи в съществуващите фабрики и по този начин да се създаде кръгово производство.

Все пак търсенето на естествен ванилин продължава да е високо, тъй като неговият вкус и аромат се смятат за най-добри. Отглеждането на повече растения е непрактично, а и скоро може да стане невъзможно поради промените в климата. Това кара група японски учени да се опита да използва биосинтетичния път, срещан в природата.

До момента този процес е неуспешен – ензимът, отговорен за превръщането на феруловата киселина във ванилин, има изключително ниска активност извън растенията, което води до пренебрежими добиви. За преодоляване на тази спънка екипът е подбрал ензим, който катализира сходна реакция – добавяне на кислород към субстрата. Във вида, срещан в природата, той не може да взаимодейства с феруловата киселина, което налага да бъде модифициран. С помощта на симулации са установени подходящите места за редакция – оказва се, че е нужна промяна само на три аминокиселини.

Така модифицираният ензим е изключително ефективен и може да катализира реакцията без кофактори (допълнителни молекули, които са нужни на някои ензими) при стайна температура. За протичането ѝ е нужно само смесването му с феруловата киселина и аериране на сместа, за да се набави кислород за окислението ѝ, което прави процеса изключително икономичен и лесен за въвеждане. Производителността му също е много добра – грам ванилин за литър реакционна смес – и е по-висока от тази на немодифицирания ензим. Бонус е, че ензимът може да превръща във ванилин и други отпадни продукти – кумарова и синапинова киселина.

Това е сериозно постижение не само по отношение на производителността и гъвкавостта. Оптимизацията на ензими ни дава възможност да се възползваме от еволюционния процес и да го ускорим изкуствено, подобрявайки вече създаденото от природата. Така в производствата могат да се въведат реакции, които до момента не са били възможни или са били непрактични, и да се избегне отглеждането на растения, което обикновено изисква значителни ресурси.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-molekulyarni-terapii-crispr-i-edna-zlatna-kurtitsa/

Молекулярна терапия за молекулярно заболяване

Терминът „молекулярно заболяване“ е въведен през 1949 г. в статията „Сърповидноклетъчна анемия, молекулярно заболяване“. Сравнявайки хемоглобин от здрави и болни хора, учените установяват, че между двете форми има малка разлика в подвижността им в електрическо поле, което предполага промяна в аминокиселинния им състав. В същото издание на Science е публикуван и генеалогичен анализ, показващ наследствения характер на заболяването. Тези разработки се правят само няколко години след като ДНК е доказана като носител на наследствената информация и преди да бъде описана нейната структура.

Сърповидноклетъчната анемия (СКА) е генетично заболяване, при което червените кръвни телца се деформират и придобиват С-образна форма. Поради това те не могат да снабдяват добре организма с кислород и започват да се слепват едно за друго. Въпреки че са разработени поддържащи терапии, които намаляват риска от инфаркт, инсулт и други остри прояви на заболяването, и продължителността на живот на пациентите е удължена значително, те все пак не живеят добре поради хронични пристъпи на остра болка, невъзможност за усилена физическа активност, бъбречна недостатъчност и др. Впечатляващото е, че всичко това е следствие от точкова мутация (промяната на нуклеотид) в ген, кодиращ един от протеините, които изграждат хемоглобин А. Това е като да се подмени една буква в първите три параграфа на тази статия.

Заболяването се проявява, когато дефектният ген е с две копия (хомозиготно състояние), получени от двамата родители. Интересен детайл е, че хората, носещи едно копие на дефектния ген (хетерозиготно състояние), имат повишена устойчивост към паразита, причиняващ малария. При заразяване червените кръвни телца се разпукват преждевременно, нарушавайки жизнения му цикъл. Счита се, че това е една от причините мутацията да се среща по-често в популации, където маларията е сериозен проблем, като Западна Африка и Индия.

Един от основните изводи в статията е нуждата от разработване на молекулярна медицина и 50 години по-късно това става реалност. Една от разновидностите ѝ са генните терапии, които бързо добиват популярност и вече има одобрени за редица заболявания. В общия случай при тях се използват вирусни вектори, които носят работеща версия на повреден ген, водещ до заболяване. Вирусите вмъкват работещата версия в генома на пациента и така възстановяват нормалното функциониране на организма. Механизмът е сходен с векторните ваксини, познати от пандемията от COVID-19. Може да се каже, че те, както и иРНК ваксините, също са вид молекулярна терапия.

В началото на месеца в САЩ одобриха Lyfgenia – генна терапия за пациенти, страдащи от СКА, базирана на използването на вирус носител. Терапията се прилага върху хематопоетични стволови клетки – те се намират в костния мозък и са отговорни за създаването на нови червени кръвни телца. След извличането им от пациента се третират с лентивирус, носещ леко променена версия на хемоглобин А, която функционира коректно. Получените генномодифицирани клетки следва да са абсолютно идентични с пациентските, с изключение на промяната в споменатия ген. Това почти премахва опасността от отхвърлянето им при обратната трансплантация. За съжаление, преди новите модифицирани клетки да бъдат върнати в пациента, всички стари трябва да бъдат премахнати. Това се извършва с помощта на висока доза химиотерапия, която унищожава стволовите клетки в костния им мозък.

Одобрението се базира на клинично изследване, включващо 32 пациенти, които са проследени за период между 6 и 18 месеца, като през това време 88% от тях не са имали пристъпи на болка. Съобщава се и за негативни ефекти, но те са свързани с химиотерапията и самото заболяване. Притеснителното е, че трима от пациентите са починали – един поради усложнения от заболяването, но при другите двама причината е остра форма на левкемия. Компанията изтъква, че пациентите с това заболяване са по-предразположени към развитие на злокачествени процеси, и споменава, че левкемията може да се дължи и на цялата процедура по трансплантиране. Починалите пациенти са били подложени на по-стара версия на терапията, при която производството и трансплантацията са извършени по различен начин. Въпреки тези обяснения Американската агенция по храните и лекарствата поставя знак за особено внимание върху продукта.

Добрата новина е, че има и алтернативна генна терапия, базирана на CRISPR. Името на продукта е Casgevy и е разработен от Vertex Pharmaceuticals Inc. в партньорство с швейцарската Crispr Therapeutics. В средата на ноември той беше одобрен в Обединеното кралство, а в началото на декември получи зелена светлина и в САЩ (заедно с Lyfgenia). Това е първата одобрена генна терапия, базирана на системата за генетични редакции.

Подходът е подобен – от пациента се изолират стволови клетки, които вместо на вирусна трансформация се подлагат на генна редакция с CRISPR. Така в клетките не се вмъква вирусният генетичен материал, а само се променя функцията на един ген, като в случая учените са избрали малко по-различен метод. Вместо да коригират функцията на хемоглобин А, те активират производството на хемоглобин F (фетален хемоглобин). Той се произвежда в ембриона от около шестата седмица на бременността до няколко месеца след раждането, когато бива изместен от хемоглобин А, срещан при възрастните. Превключването между двата вида хемоглобин става след активирането на един ген – BCL11A. Чрез дезактивирането му с помощта на CRISPR синтезът на хемоглобин F се възобновява. Въпреки че не е типичен за възрастните, той успява да компенсира действието на увредения хемоглобин А и намалява симптомите от СКА.

Интересното е, че терапията е приложима и при друго заболяване, причинено от мутация в хемоглобин А – бета-таласемия. И при нея хемоглобинът не функционира правилно и също се наблюдава анемия, която в най-острата си форма води до смърт. За момента подходът за поддържане на пациентите се изразява в чести кръвопреливания, които носят своите усложнения.

В клиничното проучване са включени 45 пациенти със СКА, 29 от които проследени за над 18 месеца. 28 от тях не са имали пристъпи на болка поне една година, след като са получили модифицираните клетки. Резултатите са добри и при пациентите с бета-таласемия. 39 от 42 не са имали нужда от кръвопреливане поне една година след терапията, а при останалите трима нуждата от трансфузия е спаднала със 70%. Страничните ефекти се припокриват с тези, причинени от химиотерапията. Пациентите продължават да бъдат наблюдавани за забавени негативни ефекти, както и за да се установи колко дълготрайно е действието на терапията.

Компанията, разработила Lyfgenia (Bluebird Bio Inc.), също има продукт, който може да се прилага за бета-таласемия – Zyngeglo. Механизмът му на действие е почти идентичен, като разликата е в модифицирания ген. Той получава одобрение в Европа през 2019 г., а в САЩ – през 2022 г. В началото на 2021 г., след фаталните случаи в клиничното изпитване за СКА, приложението му е спряно временно, но след преглед на наличната информация Европейската комисия по лекарствата дава становище, че няма доказателства за връзка между развиването на левкемия и терапията, и продуктът отново е разрешен.

Въпреки че се прилагат еднократно, и двете терапии не са евтини поради сложната процедура по трансплантация и обработка на стволовите клетки. Цената за Lyfgenia е 3,1 млн. долара, а за Casgevy е с около 40% по-ниска – 2,2 млн. Куриозното е, че въпреки очаквания скок след полученото одобрение от Комисията по храните и лекарствата акциите и на двете компании са спаднали.

Преди разработването на тези терапии единствената възможност за облекчаване на заболяването е била трансплантацията на костен мозък от здрав донор. За съжаление, откриването на съвместими донори е рядко и процедурата за извличане на костен мозък включва сравнително тежка операция. Въпреки недостатъци си новите терапии имат огромен потенциал да са по-щадящи и надеждни. Най-вероятно ще бъдат подобрени, и то за много по-кратко време от 70-те години, изминали от установяването на причината за заболяването и възможността за модифициране на единични бази в ДНК на пациентите.

Сходно мнение изказва и една от откривателките на CRISPR – нобеловата лауреатка Дженифър Даудна. В интервю за WIRED тя споделя, че тези терапии ще стават все по-неинвазивни и въпреки че в момента може да ни се струва като фантастика, най-вероятно в бъдеще ще се приемат под формата на таблетка.

CRISPR е многолик и навсякъде

Както вече сме споменавали, всички организми оставят издайнически следи под формата на ДНК в околната среда (environmental DNA). При микроорганизмите това е малко по-различен процес, тъй като те просто се отлагат по повърхностите, от които се вземат проби. Въпреки това наличието им в събрания материал може да бъде много интересно. Не само за определяне на разпространението им и за следене на потенциални огнища на заболявания, но и за откриване на нови или слабо познати видове. Поради все по-голямата достъпност на услугите за секвениране броят на секвенирани проби расте. В комбинация с огромния брой микроорганизми около нас, които попадат в пробите, се стига до главоломно нарастване на микробиални ДНК секвенции в базите данни. Така обработването и търсенето на интересни фрагменти в тях става все по-сложна задача за биоинформатиците.

За справяне с този проблем екип от Масачузетския технологичен институт предлага нов подход, базиран на алгоритми, които се използват и в момента. Първо последователностите се отделят в обособени групи, които са съставени от секвенции с висока сходност. След това групите се сравняват една с друга, което помага за откриване на взаимовръзки и еволюционни промени. По този начин се използват предимствата и на двата алгоритъма, като се избягват недостатъците им – трудното откриване на прилика между участъци с по-малка сходност на първия и по-бавната работа на втория.

С помощта на този алгоритъм се откриват 188 нови системи, в които CRISPR взема участие. Във формата, използвана в съвременните биотехнологии, той най-често е свързан с Cas9 – ензим, който има способността да реже молекулата на ДНК. Но към него може да се прикачат редица други молекули. Лабораторно разработен вариант е комплексът от CRISPR и флуоресцентно багрило, позволяващ да се „освети“ строго специфичен участък от ДНК, което може да е полезно при определяне на точното му местоположение в клетките. Но природата разполага с много по-богато въображение.

Част от описаните варианти имат ензим, който може да реже РНК вместо ДНК. При други ензимът е от групата на транспозазите – те имат способността да „преместят“ участък ДНК от едно място на друго в генома. Тези комбинации не са непознати, но откриването на нови примери показва, че разнообразието най-вероятно е голямо. Интересна изненада е вирусен протеин, който може да се свърже с CRISPR и да го дезактивира, като така блокира защитната система на бактериите.

Както отбелязват авторите, тези открития могат да бъдат изключително ценни за биотехнологиите и да дадат път на нови терапии или да бъдат приложени в земеделието и да са от помощ за намаляване на ефекта от глобалните климатични промени. Откритията също показват колко ценно може да бъде събирането и секвенирането на ДНК от околната среда.

Напредъкът в технологиите за секвениране и биоинформатичната обработка на данните разкриват нови хоризонти пред нас и постоянно ни носят изненади за света, който ни заобикаля. А понякога дават шанс за разплитането на почти столетни мистерии.

Златна изненада под пясъка

Къртицата на Де Уинтън принадлежи към семейство Златни къртици и е ендемична за западните брегове на Южна Африка. За последен път такава къртица е била забелязана през 1937 г., което ѝ осигурява място в списъка на критично застрашени или предполагаемо изчезнали видове. Като цяло това не е чак толкова учудващо – бозайникът е с размер на мишка и козината му е пясъчнозлатиста, поради което се открива трудно.

За да проверят дали могат да го намерят, екип учени решава да използва ДНК, събрана от околната среда. Най-лесният начин да се открият къртиците е да се намерят техните къртичини. За съжаление, това не е така за хората, защото в повечето случаи леговищата трудно се забелязват на повърхността. На помощ се притичва куче търсач на име Джеси, което насочва изследователите. Щом намерят къртичините, учените вземат от тях почвени проби, от които е изолирана ДНК и после я сравняват с известните секвенции на представители на семейството. Това не е лесна задача, защото в него има видове, които се срещат по-често, и повечето сигнали са от тях. Но в данните учените откриват златна нишка – митохондриална ДНК, която съвпада с тази на къртицата на Де Уинтън. 

Учените не само доказват, че видът все още се среща, но и определят сравнително широк ареал на обитание, който обаче има малък брой представители. Откритието е повод за радост, но също така насочва вниманието към неотложната нужда от по-задълбочени проучвания на местността. Новооткритата популация е застрашена както от предполагаемо ограничения брой индивиди, така и от дейността на човека – в района активно се добиват диаманти, което е причина за разрушаване на множество екосистеми.

Водещо изображение: Chrysochloris holosericea – рисунка от колекцията на Университета в Амстердам. Източник: Wikimedia Commons