Продолжительность жизни человека связана со старением отдельных клеток. Три года назад группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего расшифровала основные механизмы, лежащие в основе старения. После того как были определены два отдельных пути этого процесса, ученые совершили генетические манипуляции, чтобы увеличить продолжительность жизни клеток.

Как описано в статье, опубликованной в журнале Science, команда расширила это исследование, используя синтетическую биологию, чтобы разработать решение, которое удерживает клетки от достижения нормального уровня износа, связанного со старением.

Ученые изучили дрожжи Saccharomyces cerevisiae в качестве модели старения клеток человека. Для отслеживания этих процессов они разработали и использовали микрофлюидику и покадровую микроскопию.

Дрожжевые клетки, которые были синтетически перестроены и состарены под управлением осцилляторного устройства, привели к увеличению продолжительности жизни на 82% по сравнению с контрольными образцами, которые старели в нормальных условиях. 

Клетки, в том числе дрожжей, растений, животных и человека, содержат цепи регуляции генов, отвечающие за многие физиологические функции, включая старение. "Эти генные цепи могут работать как наши домашние электрические цепи, которые управляют такими устройствами, как приборы и автомобили", — говорит старший автор исследования, профессор Нан Хао из Калифорнийского университета в Сан-Диего. 

Однако группа ученых обнаружила, что клетки, находящиеся под контролем центральной цепи регуляции генов, не обязательно стареют одинаково. Представьте себе автомобиль, у которого этот процесс идет по мере износа либо двигателя, либо трансмиссии, но не по обеим причинам одновременно. Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего представила "умный процесс старения", который продлевает клеточную продолжительность жизни за счет циклического перехода от одного механизма к другому.

Исследователи генетически переделали цепь, которая обычно функционировала как переключатель, и создали петлю отрицательной обратной связи. Перестроенная система работает как похожее на часы устройство, называемое генным осциллятором. Оно заставляет клетку периодически переключаться между двумя пагубными состояниями старения, избегая длительного пребывания в каждом из них и тем самым замедляя дегенерацию.

Эти достижения привели к значительному увеличению продолжительности жизни клеток, и позволили установить новый рекорд продления жизни за счет генетических и химических вмешательств.

Как часто делают инженеры-электрики, ученые в своем исследовании сначала использовали компьютерное моделирование того, как работает основная цепочка старения. Это помогло им разработать и протестировать идеи, перед тем как создавать или изменять регуляторные цепи внутри клетки. Такой подход позволяет экономить время и ресурсы по сравнению с более традиционными генетическими стратегиями.

"Это первый случай, когда синтетическая биология и инженерные принципы, управляемые вычислениями, использовались для рационального перепроектирования генных цепей и перепрограммирования процесса старения для эффективного увеличения продолжительности жизни", — говорит Хао.

Несколько лет назад междисциплинарная исследовательская группа Калифорнийского университета в Сан-Диего приступила к изучению механизмов старения — сложного биологического процесса, лежащего в основе долголетия человека и многих заболеваний. Они обнаружили, что клетки следуют каскаду молекулярных изменений на протяжении всей своей жизни, пока в конечном итоге не дегенерируют и не умирают. Но они заметили, что образцы, взятые из одного и того же генетического материала и в одной и той же среде, могут двигаться разными путями старения. Около половины клеток стареют из-за постепенного снижения стабильности ДНК, в которой хранится генетическая информация. Другая половина возраста идет по пути, связанному с упадком митохондрий — органелл, отвечающих за производство энергии.

Новое достижение синтетической биологии может изменить научные подходы к задержке старения. В отличие от многочисленных химических и генетических попыток принудительно перевести клетки в искусственное состояние "молодости", это исследование предоставляет доказательства того, что замедление хода часов старения возможно за счет активного предотвращения перехода на предопределенный путь упадка и смерти. Генные осцилляторы могли бы стать универсальной системой для достижения этой цели.

По словам авторов исследования, их работа представляет собой пример проверки концепции, демонстрирующий успешное применение синтетической биологии для перепрограммирования процесса клеточного старения и может заложить основу для разработки синтетических генных цепей для эффективного увеличения продолжительности жизни более сложных организмов. 

В настоящее время команда расширяет свои исследования старения различных типов клеток человека, включая стволовые клетки и нейроны.