CRISPR-Cas-systemet har blivit ett verktyg för forskare som studerar gener i en ständigt växande lista över organismer, och används för att utveckla nya genterapier som potentiellt kan korrigera en defekt vid en enda nukleotidposition i genomets vidsträckta räckvidd. Det används också i pågående diagnostiska metoder för att upptäcka patogener och sjukdomsframkallande mutationer hos patienter.

Nu, rapporterar in Vetenskap , ett forskargrupp vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och Massachusetts Institute of Technology (MIT) visar användningen av CRISPR som kontrollelement i en ny typ av stimuli-responsiva "smarta" material. Vid aktivering av specifika naturliga eller användardefinierade DNA-stimuli, ett CRISPR-Cas-enzym gör det möjligt för en mängd olika smarta material att släppa ut bunden last, såsom fluorescerande färgämnen och aktiva enzymer, ändra sina strukturer för att distribuera inkapslade nanopartiklar och levande celler, eller reglera elektriska kretsar och därigenom omvandla biologiska till elektriska signaler.

"Vår studie visar att kraften i CRISPR kan utnyttjas utanför laboratoriet för att kontrollera beteendet hos DNA-mottagliga material. Vi utvecklade en rad material med mycket olika funktioner som belyser bredden av applikationer som möjliggörs av programmerbara CRISPR-responsiva smarta material , "sade Wyss Institute Founding Core Faculty -medlem James Collins, Ph.D., som ledde studien och är ledare för institutets plattform för levande mobila enheter. "Dessa tillämpningar inkluderar nya teranostiska strategier, vårddiagnostik, och den regionala övervakningen av epidemiska utbrott och miljöfaror. "Collins är också termeerprofessor i medicinsk teknik och vetenskap och professor i biologisk teknik vid MIT.

CRISPR-Cas-systemet har fått sin berömmelse på grund av dess förmåga att hitta nästan vilken målsekvens som helst i genomet med hjälp av en kort kompletterande guide-RNA (gRNA), och att skära och reparera DNA -dubbelsträngen med kirurgisk precision. I föreliggande studie, laget utnyttjade en Cas -enzymvariant känd som Cas12a från en Lachnospiraceae -bakterie som har samma förmåga att känna igen och klippa specifika DNA -sekvenser men, aktiverad av denna händelse, viktigt, fortsätter med att icke-specifikt klyva enkelsträngat DNA i dess närhet med en hastighet av cirka 1250 omsättningar per sekund.

"Vi införlivade enkelsträngade mål-DNA-sekvenser i polymera material, antingen som ankare för hängande laster, eller som strukturella element som bibehåller materialets grundläggande integritet, och kan styra olika materialbeteenden bara genom att tillhandahålla Cas12a tillsammans med ett specifikt gRNA som stimulans, "sa förste författaren Max English, som är en MIT -doktorand som arbetar med Collins.

CRISPR-mottagligt material för leverans av små gods I en variant av deras koncept, forskarna fäst olika nyttolast via dubbelsträngade DNA-ankarsekvenser till ett så kallat poly (etylenglykol) hydrogelmaterial. "Ankersekvenserna riktas mot närliggande Cas12a -enzymer i närvaro av komplementära gRNA, och försämras sedan, "sa förste författaren Helena de Puig, Ph.D., en postdoktoral forskare i Collins team. "Som ett resultat, vi kan släppa nyttolast som fluorescerande molekyler och enzymer i hastigheter som beror på de relativa affiniteterna för gRNA/mål -DNA -par, liksom egenskaper som är hårdkodade i gelerna, som deras porstorlekar, och densiteterna av riktade ankarsekvenser tvärbundna till gelmaterialet. "Författarna tror att detta tillvägagångssätt skulle kunna användas, till exempel, att utveckla material med diagnostiska möjligheter och för miljöövervakning.

Stimulerad frisättning av inkapslade nanopartiklar och celler

I större skala, laget undersökte deras tillvägagångssätt för att framkalla strukturella förändringar i polyakrylamidhydrogeler (PA) som inkapslade nanopartiklar och levande celler. "Här, vi använde Cas12a-målsekvenser för att tvärbinda PA-strängar till varandra och därmed fungera som strukturella element. Att ta bort tvärbindarna genom att utlösa Cas12a-aktivitet stimulerar mekaniska förändringar genom hela gelmatrisen, som tillät guld nanopartiklar och mänskliga primära celler att släppas, "sa Raphael Gayet, en annan förste författare och doktorand i Collins-gruppen. "Detta tillvägagångssätt kan användas för att frigöra celler i vävnadsställningar."

Biomaterial som elektriska säkringar och reglerbara ventiler

På ännu en annan väg, Collins och hans team konstruerade CRISPR-responsiva smarta material som kan fungera som elektriska säkringar och kontrollerbara ventiler som reglerar vätskepassage. Forskarna täckte elektroder med en blandning av nanopartiklar gjorda av kolsvart, en bra elektricitetsledare, och slumpmässiga enkelsträngade DNA-fragment, och omgav elektroderna med en lösning innehållande Cas12a och ett specifikt dubbelsträngat mål-DNA. "Materialet i sig gjorde det möjligt för en elektrisk ström att gå mellan elektroderna. Men när vi utlöste Cas12a-beroende nedbrytning av det inbäddade DNA:t, materialet blev stört och strömmen avbröts, "sa medförfattaren Nicolaas Angenent-Mari från Collins team.

I pappersbaserade mikrofluidiska enheter, teamet samlade en stapel vikta mikro-kuddar som var och en utförde en specifik funktion. De förreagerade en DNA-tvärbunden PA-gel med Cas12a i frånvaro eller närvaro av en Cas12a-specifik dubbelsträngad DNA-utlösare och täckte en mittkudde med den. Dock, gelén bildas endast i frånvaro av ett Cas12a-utlösande DNA, och när den appliceras på dynan, täppt till porerna. Detta i sin tur blockerade flödet av en buffert som bär elektrolyter från toppen till botten av stapeln där en elektrod var belägen. I kontrast, närvaron av ett Cas12a-utlösande DNA hindrade gelén att tvärbinda och möjliggjorde därmed bufferten att flöda och orsaka en ström över elektroden, i huvudsak fungerar som ett motstånd. "Med detta tillvägagångssätt, vi kopplade upptäckten av DNA som motsvarar ebolavirus-specifikt RNA med en elektrisk signal och överför till och med signalen med en kopplad RFID-antenn i realtid, "sa Luis Soenksen, också en första författare till studien.

"Denna genombrottstudie av James Collins och hans team i Wyss Institute's Living Cellular Devices -plattform visar värdet av CRISPR -teknik för helt nya områden, allt från diagnostik och teragnostik till bioelektronik, och markerar ännu en inspirerande böjpunkt för biomedicinsk utveckling möjliggjord av denna bioinspirerade teknik, "sade Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS, Vaskulärbiologiprogrammet vid Boston Children's Hospital, och professor i bioingenjör vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).