Het CRISPR-Cas-systeem is het hulpmiddel geworden voor onderzoekers die genen bestuderen in een steeds groter wordende lijst van organismen, en wordt gebruikt om nieuwe gentherapieën te ontwikkelen die mogelijk een defect op een enkele nucleotidepositie van de uitgestrekte delen van het genoom kunnen corrigeren. Het wordt ook gebruikt in lopende diagnostische benaderingen voor de detectie van pathogenen en ziekteveroorzakende mutaties bij patiënten.

Nutsvoorzieningen, melden in Wetenschap , een onderzoeksteam van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) demonstreert het gebruik van CRISPR als een controle-element in een nieuw type op stimuli reagerende "slimme" materialen. Na activering door specifieke natuurlijke of door de gebruiker gedefinieerde DNA-stimuli, een CRISPR-Cas-enzym stelt een verscheidenheid aan slimme materialen in staat om gebonden lading vrij te geven, zoals fluorescerende kleurstoffen en actieve enzymen, hun structuren veranderen om ingekapselde nanodeeltjes en levende cellen in te zetten, of elektrische circuits reguleren, waardoor biologische signalen worden omgezet in elektrische signalen.

"Ons onderzoek toont aan dat de kracht van CRISPR buiten het laboratorium kan worden benut om het gedrag van op DNA reagerende materialen te beheersen. We hebben een reeks materialen ontwikkeld met zeer verschillende mogelijkheden die de breedte van toepassingen benadrukken die mogelijk worden gemaakt door programmeerbare, op CRISPR reagerende slimme materialen , " zei James Collins, oprichter van de kernfaculteit van Wyss Institute, doctoraat, die de studie leidde en leider is van het Living Cellular Devices-platform van het Instituut. "Deze toepassingen omvatten nieuwe theranostische strategieën, point-of-care diagnostiek, en de regionale monitoring van epidemische uitbraken en gevaren voor het milieu." Collins is ook de Termeer hoogleraar Medical Engineering &Science en een hoogleraar Biological Engineering aan het MIT.

Het CRISPR-Cas-systeem heeft zijn bekendheid gekregen vanwege het vermogen om bijna elke doelsequentie in het genoom te vinden met behulp van een kort complementair gids-RNA (gRNA), en om de dubbele DNA-streng met chirurgische precisie te knippen en te repareren. In de huidige studie, het team maakte gebruik van een Cas-enzymvariant die bekend staat als Cas12a van een Lachnospiraceae-bacterie die hetzelfde vermogen heeft om specifieke DNA-sequenties te herkennen en te knippen, maar, geactiveerd door deze gebeurtenis, belangrijk, gaat door met het niet-specifiek splitsen van enkelstrengs DNA in zijn omgeving met een snelheid van ongeveer 1250 omwentelingen per seconde.

"We hebben enkelstrengs doel-DNA-sequenties opgenomen in polymere materialen, ofwel als ankers voor hangende ladingen, of als structurele elementen die de basisintegriteit van de materialen behouden, en kan verschillende materiële gedragingen controleren door Cas12a samen met een specifiek gRNA als stimulus te geven, " zei co-eerste auteur Max English, die een MIT-afgestudeerde student is die met Collins werkt.

CRISPR-responsieve materialen voor levering van kleine vracht In een variant van hun concept, de onderzoekers bevestigden verschillende payloads via dubbelstrengs DNA-ankersequenties aan een zogenaamd poly(ethyleenglycol) hydrogelmateriaal. "De ankersequenties zijn het doelwit van nabijgelegen Cas12a-enzymen in de aanwezigheid van complementaire gRNA's, en worden dan afgebroken, " zei mede-eerste auteur Helena de Puig, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in het team van Collins. "Als resultaat, we kunnen ladingen zoals fluorescerende moleculen en enzymen vrijgeven met snelheden die afhankelijk zijn van de relatieve affiniteiten van gRNA/doel-DNA-paren, evenals eigenschappen die hard gecodeerd zijn in de gels, zoals hun poriegroottes, en de dichtheden van gerichte ankersequenties verknoopt met het gelmateriaal." De auteurs denken dat deze benadering zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om materialen te ontwikkelen met diagnostische mogelijkheden en voor milieumonitoring.

Gestimuleerde afgifte van ingekapselde nanodeeltjes en cellen

Op grotere schaal, het team onderzocht hun aanpak voor het veroorzaken van structurele veranderingen in polyacrylamide-hydrogels (PA) die nanodeeltjes en levende cellen inkapselen. "Hier, we gebruikten Cas12a-doelsequenties om PA-strengen met elkaar te verknopen en zo als structurele elementen te functioneren. Het verwijderen van de crosslinkers door Cas12a-activiteit te activeren, stimuleert mechanische veranderingen in de gehele gelmatrix, waardoor gouden nanodeeltjes en menselijke primaire cellen vrijkwamen, " zei Raphael Gayet, een andere co-eerste auteur en afgestudeerde student in de Collins-groep. "Deze aanpak kan worden gebruikt om cellen vrij te geven in weefselsteigers."

Biomaterialen als elektrische zekeringen en regelbare kleppen

Op nog een andere laan, Collins en zijn team ontwikkelden slimme materialen die reageren op CRISPR en die kunnen fungeren als elektrische zekeringen en regelbare kleppen die de doorgang van vloeistoffen regelen. De onderzoekers bedekten elektroden met een mengsel van nanodeeltjes gemaakt van roet, een goede geleider van elektriciteit, en willekeurige enkelstrengs DNA-fragmenten, en omringde de elektroden met een oplossing die Cas12a en een specifiek dubbelstrengs doelwit-DNA bevat. "Het materiaal op zichzelf zorgde ervoor dat er een elektrische stroom tussen de elektroden liep. toen we Cas12a-afhankelijke afbraak van het ingebedde DNA veroorzaakten, het materiaal werd verstoord en de stroom onderbroken, " zei co-auteur Nicolaas Angenent-Mari van Collins' team.

In op papier gebaseerde microfluïdische apparaten, het team verzamelde een stapel gevouwen micro-pads die elk een specifieke functie vervulden. Ze reageerden vooraf een DNA-verknoopte PA-gel met Cas12a in de afwezigheid of aanwezigheid van een Cas12a-specifieke dubbelstrengs DNA-trigger en bedekten er een middelste pad mee. Echter, de gel werd alleen gevormd in afwezigheid van een Cas12a-triggerend DNA, en wanneer toegepast op de pad, verstopte zijn poriën. Dit blokkeerde op zijn beurt de stroom van een buffer die elektrolyten vervoert van de bovenkant naar de onderkant van de stapel waar zich een elektrode bevond. In tegenstelling tot, de aanwezigheid van een Cas12a-triggerend DNA verhinderde dat de gel werd verknoopt en stelde zo de buffer in staat te stromen en een stroom over de elektrode te veroorzaken, werkt in wezen als een weerstand. “Met deze aanpak we hebben de detectie van DNA dat overeenkomt met ebola-virus-specifiek RNA gekoppeld aan een elektrisch signaal en zelfs het signaal in realtime verzonden met een gekoppelde RFID-antenne, " zei Luis Soenksen, ook een co-eerste auteur van de studie.

"Deze baanbrekende studie door James Collins en zijn team in het Living Cellular Devices-platform van het Wyss Institute demonstreert de waarde van CRISPR-technologie voor geheel nieuwe gebieden, variërend van diagnostiek en theragnostiek tot bio-elektronica, en markeert nog een ander inspirerend buigpunt voor biomedische ontwikkelingen die mogelijk worden gemaakt door deze bio-geïnspireerde technologie, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de HMS is, het Vascular Biology Program in het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard.