Biomaterialer skærper op med CRISPR

CRISPR-Cas-systemet er blevet værktøjet til forskere, der studerer gener i en stadig voksende liste over organismer, og bruges til at udvikle nye genterapier, der potentielt kan rette en defekt ved en enkelt nukleotidposition i genomets store rækkevidde. Det udnyttes også i igangværende diagnostiske metoder til påvisning af patogener og sygdomsfremkaldende mutationer hos patienter.

Nu, rapporterer i Videnskab , et forskerhold ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Massachusetts Institute of Technology (MIT) demonstrerer brugen af ​​CRISPR som kontrolelement i en ny type stimuli-responsive "smarte" materialer. Ved aktivering af specifikke naturlige eller brugerdefinerede DNA-stimuli, et CRISPR-Cas-enzym gør det muligt for en række smarte materialer at frigive bunden last, såsom fluorescerende farvestoffer og aktive enzymer, ændre deres strukturer for at implementere indkapslede nanopartikler og levende celler, eller regulere elektriske kredsløb og derved omdanne biologiske til elektriske signaler.

"Vores undersøgelse viser, at kraften i CRISPR kan udnyttes uden for laboratoriet til at kontrollere adfærd af DNA-responsive materialer. Vi udviklede en række materialer med meget forskellige muligheder, der fremhæver bredden af ​​applikationer, der er muliggjort af programmerbare CRISPR-responsive smarte materialer , "sagde Wyss Institute Founding Core Faculty -medlem James Collins, Ph.d., der ledede undersøgelsen og er leder af instituttets platform for levende mobilenheder. "Disse applikationer omfatter nye teranostiske strategier, point-of-care diagnostik, og den regionale overvågning af epidemiske udbrud og miljøfarer. "Collins er også termeerprofessor i medicinsk teknik og videnskab og professor i biologisk teknik ved MIT.

CRISPR-Cas-systemet har vundet sin berømmelse på grund af dets evne til at finde næsten enhver målsekvens i genomet ved hjælp af en kort komplementær guide-RNA (gRNA), og at skære og reparere DNA -dobbeltstrengen med kirurgisk præcision. I denne undersøgelse, teamet udnyttede en Cas -enzymvariant kendt som Cas12a fra en Lachnospiraceae -bakterie, der har samme evne til at genkende og skære specifikke DNA -sekvenser, men, aktiveret af denne begivenhed, vigtigt, viderefører til ikke-specifikt spaltet enkeltstrenget DNA i sin nærhed med en hastighed på ca. 1250 omsætninger pr. sekund.

"Vi inkorporerede enkeltstrengede mål-DNA-sekvenser i polymere materialer, enten som ankre til vedhængende laster, eller som strukturelle elementer, der opretholder materialernes grundlæggende integritet, og kan kontrollere forskellige materielle adfærd bare ved at levere Cas12a sammen med et specifikt gRNA som en stimulans, "sagde co-first author Max English, som er en MIT -kandidatstuderende, der arbejder med Collins.

CRISPR-responsive materialer til levering af mindre gods I en variant af deres koncept, forskerne knyttet forskellige nyttelast via dobbeltstrengede DNA-ankersekvenser til et såkaldt poly (ethylenglycol) hydrogelmateriale. "Ankersekvenserne er målrettet mod nærliggende Cas12a -enzymer i nærvær af komplementære gRNA'er, og nedbrydes derefter, sagde den første forfatter Helena de Puig, Ph.d., en postdoktoral forsker på Collins 'team. "Som resultat, vi kan frigive nyttelast som fluorescerende molekyler og enzymer med hastigheder, der afhænger af de relative affiniteter af gRNA/mål -DNA -par, samt egenskaber, der er hårdt kodet ind i gelerne, såsom deres porestørrelser, og densiteterne af målrettede ankersekvenser tværbundet til gelmaterialet. "Forfatterne mener, at denne fremgangsmåde kunne bruges, for eksempel, at udvikle materialer med diagnostiske muligheder og til miljøovervågning.

Stimuleret frigivelse af indkapslede nanopartikler og celler

I større skalaer, teamet undersøgte deres tilgang til at fremkalde strukturelle ændringer i polyacrylamidhydrogeler (PA), der indkapslede nanopartikler og levende celler. "Her, vi brugte Cas12a-målsekvenser til at tværbinde PA-strenge til hinanden og dermed fungere som strukturelle elementer. Fjernelse af tværbindere ved at udløse Cas12a-aktivitet stimulerer mekaniske ændringer i hele gelmatrixen, som tillod frigivelse af guldnanopartikler og menneskelige primære celler, "sagde Raphael Gayet, en anden første forfatter og kandidatstuderende i Collins-gruppen. "Denne fremgangsmåde kunne bruges til at frigive celler i vævsstilladser."

Biomaterialer som elektriske sikringer og regulerbare ventiler

På endnu en anden vej, Collins og hans team konstruerede CRISPR-responsive smarte materialer, der kan fungere som elektriske sikringer og kontrollerbare ventiler, der regulerer væskepassage. Forskerne dækkede elektroder med en blanding af nanopartikler lavet af carbon black, en god leder af elektricitet, og tilfældige enkeltstrengede DNA-fragmenter, og omgav elektroderne med en opløsning indeholdende Cas12a og et specifikt dobbeltstrenget mål-DNA. "Materialet i sig selv gjorde det muligt at løbe en elektrisk strøm mellem elektroderne. Men da vi udløste Cas12a-afhængig nedbrydning af det indlejrede DNA, materialet blev forstyrret og strømmen afbrudt, "sagde medforfatter Nicolaas Angenent-Mari fra Collins 'team.

I papirbaserede mikrofluidiske enheder, teamet samlede en stak foldede mikro-puder, der hver udførte en bestemt funktion. De forreagerede en DNA-tværbundet PA-gel med Cas12a i fravær eller tilstedeværelse af en Cas12a-specifik dobbeltstrenget DNA-trigger og dækkede en midterpude med den. Imidlertid, gelen dannedes kun i fravær af et Cas12a-udløsende DNA, og når den påføres puden, tilstoppede dets porer. Dette blokerede igen strømmen af ​​en buffer, der bærer elektrolytter fra toppen til bunden af ​​stakken, hvor en elektrode var placeret. I modsætning, tilstedeværelsen af ​​et Cas12a-udløsende DNA forhindrede gelen i at blive tværbundet og gjorde det således muligt for bufferen at flyde og forårsage en strøm over elektroden, hovedsagelig fungerer som en modstand. "Med denne tilgang, vi koblede påvisning af DNA svarende til ebola-virus-specifikt RNA med et elektrisk signal og transmitterede endda signalet med en koblet RFID-antenne i realtid, "sagde Luis Soenksen, også en medforfatter til undersøgelsen.

"Denne gennembrudstudie af James Collins og hans team i Wyss Institutes Living Cellular Devices -platform demonstrerer værdien af ​​CRISPR -teknologi til helt nye felter, lige fra diagnostik og teragnostik til bioelektronik, og markerer endnu et inspirerende bøjningspunkt for biomedicinske udviklinger muliggjort af denne bioinspirerede teknologi, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved HMS, programmet for vaskulær biologi på Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).