Система CRISPR-Cas стала незаменимым инструментом для исследователей, изучающих гены в постоянно растущем списке организмов, и используется для разработки новых методов генной терапии, которые потенциально могут исправить дефект в одном нуклеотиде. положение обширных участков генома. Он также используется в текущих диагностических подходах для обнаружения патогенов и болезнетворных мутаций у пациентов.
Теперь, сообщая в журнале Science, исследовательская группа из Гарвардского института биологической инженерии им. материалы. При активации определенными естественными или определяемыми пользователем стимулами ДНК фермент CRISPR-Cas позволяет множеству интеллектуальных материалов высвобождать связанные грузы, такие как флуоресцентные красители и активные ферменты, изменять свою структуру для развертывания инкапсулированных наночастиц и живых клеток или регулировать электрические цепи. тем самым преобразуя биологические сигналы в электрические.
Наше исследование показывает, что возможности CRISPR можно использовать за пределами лаборатории для управления поведением материалов, чувствительных к ДНК. Смарт-материалы, реагирующие на CRISPR», - сказал Джеймс Коллинз, член основного факультета Института Wyss. Д., который руководил исследованием и является руководителем платформы живых сотовых устройств Института. «Эти приложения включают в себя новые тераностические стратегии, диагностику по месту оказания медицинской помощи и региональный мониторинг эпидемических вспышек и экологических опасностей». Коллинз также является профессором медицинской инженерии и науки в Термеере и профессором биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте.
Система CRISPR-Cas получила известность благодаря своей способности находить практически любую целевую последовательность в геноме с помощью короткой комплементарной направляющей РНК (гРНК), а также разрезать и восстанавливать двойную цепь ДНК. с хирургической точностью. В настоящем исследовании команда использовала вариант фермента Cas, известный как Cas12a, из бактерии Lachnospiraceae, который обладает такой же способностью распознавать и разрезать определенные последовательности ДНК, но, что важно, активируется этим событием, продолжает неспецифически расщеплять одноцепочечные ДНК. ДНК вокруг него со скоростью около 1250 оборотов в секунду.
Мы включили последовательности одноцепочечной ДНК-мишени в полимерные материалы либо в качестве якорей для подвесных грузов, либо в качестве структурных элементов, которые поддерживают базовую целостность материалов и могут контролировать поведение различных материалов, просто предоставляя Cas12a вместе с специфическая гРНК в качестве стимула», - сказал соавтор Макс Инглиш, аспирант Массачусетского технологического института, работающий с Коллинзом.
CRISPR-чувствительные материалы для доставки небольших грузов В одном из вариантов своей концепции исследователи прикрепляли различные полезные нагрузки с помощью двухцепочечных якорных последовательностей ДНК к так называемому поли(этиленовому гликоль) гидрогелевый материал. «Якорные последовательности становятся мишенью для близлежащих ферментов Cas12a в присутствии комплементарных гРНК, а затем деградируют», - сказала соавтор Хелена де Пуч, доктор философии, научный сотрудник группы Коллинза. «В результате мы можем высвобождать полезные нагрузки, такие как флуоресцентные молекулы и ферменты, со скоростью, которая зависит от относительного сродства пар гРНК/ДНК-мишени, а также от свойств, жестко закодированных в гелях, таких как размер их пор и плотность целевые якорные последовательности, сшитые с гелевым материалом». Авторы считают, что такой подход можно использовать, например, для разработки материалов с диагностическими возможностями и для мониторинга окружающей среды.
Стимулированное высвобождение инкапсулированных наночастиц и клеток
В более крупных масштабах команда исследовала свой подход к стимулированию структурных изменений в полиакриламидных гидрогелях (ПА), инкапсулирующих наночастицы и живые клетки. «Здесь мы использовали целевые последовательности Cas12a для перекрестного связывания нитей PA друг с другом и, таким образом, для функционирования в качестве структурных элементов. Удаление перекрестных линкеров путем запуска активности Cas12a стимулирует механические изменения во всей гелевой матрице, что позволило наночастицам золота и первичным клетки должны быть высвобождены», - сказал Рафаэль Гайе, еще один соавтор и аспирант группы Коллинза. «Этот подход можно использовать для высвобождения клеток в каркасы тканей».
Биоматериалы в качестве электрических предохранителей и управляемых клапанов
На другом пути Коллинз и его команда разработали интеллектуальные материалы, реагирующие на CRISPR, которые могут действовать как электрические предохранители и управляемые клапаны, регулирующие прохождение жидкостей. Исследователи покрыли электроды смесью наночастиц из сажи, хорошего проводника электричества, и случайных фрагментов одноцепочечной ДНК, и окружили электроды раствором, содержащим Cas12a и специфическую двухцепочечную ДНК-мишень.«Материал сам по себе позволял пропускать электрический ток между электродами. Однако, когда мы запустили Cas12a-зависимую деградацию встроенной ДНК, материал был разрушен, и ток прервался», - сказал соавтор Николаас Анженент-Мари из Коллинза. команда.
В бумажных микрожидкостных устройствах команда собрала стопку сложенных микропланшетов, каждый из которых выполнял определенную функцию. Они предварительно прореагировали с перекрестно-сшитым ДНК-гелем PA с Cas12a в отсутствие или в присутствии Cas12a-специфического триггера двухцепочечной ДНК и покрыли им среднюю подушечку. Однако гель образовывался только в отсутствие Cas12a-триггерной ДНК и при нанесении на подушечку закупоривал ее поры. Это, в свою очередь, блокировало поток буфера, несущего электролиты сверху вниз стопки, где находился электрод. Напротив, присутствие ДНК, запускающей Cas12a, предотвращало перекрестное связывание геля и, таким образом, позволяло буферу течь и вызывать ток через электрод, по существу действуя как резистор.«Благодаря этому подходу мы объединили обнаружение ДНК, соответствующей РНК, специфичной для вируса Эбола, с электрическим сигналом и даже передали сигнал с помощью связанной RFID-антенны в режиме реального времени», - сказал Луис Соенксен, также соавтор исследования..
Это революционное исследование, проведенное Джеймсом Коллинзом и его командой на платформе живых клеточных устройств Института Висса, демонстрирует ценность технологии CRISPR для совершенно новых областей, от диагностики и терагностики до биоэлектроники, и знаменует собой еще один вдохновляющий переломный момент для биомедицинские разработки, обеспечиваемые этой биоинспирированной технологией», - сказал директор-основатель Института Висс Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS, программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице и профессором биоинженерии. в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS).