Использование возможностей CRISPR для контроля поведения ДНК-чувствительных материалов

Использование возможностей CRISPR для контроля поведения ДНК-чувствительных материалов
        

Система CRISPR-Cas стала основным инструментом для исследователей, изучающих гены в постоянно растущем списке организмов, и используется для разработки новых методов генной терапии, которые потенциально могут исправить дефект в положении одного нуклеотида. обширные области генома. Он также используется в текущих диагностических подходах для выявления патогенов и мутаций, вызывающих заболевания у пациентов.

Теперь, сообщая в Science исследовательская группа из Института биологического вдохновения Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT) демонстрирует использование CRISPR в качестве элемента управления в стимулах нового типа. – отзывчивые «умные» материалы. После активации определенными природными или определяемыми пользователем стимулами ДНК фермент CRISPR-Cas позволяет различным интеллектуальным материалам высвобождать связанный груз, такой как флуоресцентные красители и активные ферменты, изменять их структуры для развертывания инкапсулированных наночастиц и живых клеток или регулировать электрические цепи тем самым преобразуя биологические в электрические сигналы.

«Наше исследование показывает, что возможности CRISPR можно использовать за пределами лаборатории для контроля поведения материалов, чувствительных к ДНК. Мы разработали ряд материалов с совершенно разными возможностями, которые подчеркивают широту применения, обеспечиваемую программируемым CRISPR- отзывчивые умные материалы », – сказал доктор философских наук, профессор-основатель Wyss Institute Джеймс Коллинз, возглавлявший исследование и являющийся лидером платформы Living Cellular Devices. «Эти приложения включают новые тераностические стратегии, диагностику в местах оказания медицинской помощи и региональный мониторинг эпидемических вспышек и опасностей для окружающей среды». Коллинз также является профессором медицинской инженерии и науки Термеер и профессором биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте.

Система CRISPR-Cas получила известность благодаря своей способности находить практически любую последовательность-мишень в геноме с помощью короткой комплементарной направляющей РНК (gRNA), а также разрезать и восстанавливать двойную цепь ДНК с помощью хирургического вмешательства. точность. В настоящем исследовании команда использовала вариант фермента Cas, известный как Cas12a, из бактерии Lachnospiraceae, который обладает той же способностью распознавать и разрезать определенные последовательности ДНК, но, что важно, активируется этим событием, что ведет к неспецифическому расщеплению одноцепочечной ДНК в его окрестности со скоростью около 1250 оборотов в секунду.

«Мы включили одноцепочечные последовательности ДНК-мишени в полимерные материалы, в качестве якорей для подвесных грузов, или в качестве структурных элементов, которые поддерживают основную целостность материалов и могут контролировать различные поведения материалов, просто предоставляя Cas12a вместе с определенной рРНК. в качестве стимула, "сказал соавтор Макс Макс Инглиш, аспирант Массачусетского технологического института, работающий с Коллинзом.

Материалы CRISPR для доставки мелких грузов

В одном варианте их концепции исследователи прикрепили различные полезные нагрузки через двухцепочечные якорные последовательности ДНК к так называемому материалу поли (этиленгликоль) гидрогеля. «Якорные последовательности являются мишенью для близлежащих ферментов Cas12a в присутствии комплементарных рНК и затем разлагаются», – говорит со-первый автор Хелена де Пуиг, доктор философии, постдокторский исследователь в команде Коллинза. «В результате мы можем высвобождать полезные нагрузки, такие как флуоресцентные молекулы и ферменты, со скоростями, которые зависят от относительного сродства пар рРНК / ДНК-мишени, а также от свойств, жестко закодированных в гели, таких как размеры их пор и плотность целевые якорные последовательности сшиты с гелевым материалом ". Авторы считают, что этот подход можно использовать, например, для разработки материалов с диагностическими возможностями и для мониторинга окружающей среды.

Вынужденное высвобождение инкапсулированных наночастиц и клеток

В более крупных масштабах команда исследовала их подход к стимулированию структурных изменений в полиакриламидных гидрогелях (ПА), которые инкапсулировали наночастицы и живые клетки. «Здесь мы использовали последовательности-мишени Cas12a для сшивания нитей PA друг с другом и, таким образом, для функционирования в качестве структурных элементов. Удаление сшивающих агентов путем запуска активности Cas12a стимулирует механические изменения по всей матрице геля, что позволило наночастицам золота и первичному человеку клетки, которые будут выпущены, "сказал Рафаэль Гайет, другой со-первый автор и аспирант в группе Коллинза. «Этот подход может быть использован для высвобождения клеток в тканевые каркасы».

Биоматериалы как электрические предохранители и регулируемые клапаны

На другом пути Коллинз и его команда разработали интеллектуальные материалы, реагирующие на CRISPR, которые могут выступать в роли электрических предохранителей и регулируемых клапанов, регулирующих прохождение жидкостей. Исследователи покрыли электроды смесью наночастиц, сделанных из сажи, хорошим проводником электричества и случайными одноцепочечными фрагментами ДНК, и окружили электроды раствором, содержащим Cas12a и специфическую двухцепочечную целевую ДНК. «Материал сам по себе позволял протекать электрическому току между электродами. Однако, когда мы вызвали Cas12a-зависимую деградацию встроенной ДНК, материал стал разрушаться, а ток прерывался», – сказал соавтор Николас Ангенент-Мари из Collins '. команда.

В бумажных микрофлюидных устройствах команда собрала стопку сложенных микроподушек, каждая из которых выполняла определенную функцию. Они предварительно прореагировали сшитый PA-гелем ДНК с Cas12a в отсутствие или в присутствии специфичного к Cas12a триггера двухцепочечной ДНК и покрыли им среднюю прокладку. Однако гель образуется только в отсутствие ДНК, запускающей Cas12a, и при нанесении на подушку закупоривает его поры. Это, в свою очередь, блокировало поток буфера, несущего электролиты, сверху донизу батареи, где находился электрод. Напротив, присутствие ДНК, запускающей Cas12a, предотвращало сшивание геля и, таким образом, позволяло буферу протекать и вызывать ток через электрод, по существу действующий как резистор. «Благодаря такому подходу мы объединили обнаружение ДНК, соответствующей специфической РНК вируса Эбола, с электрическим сигналом и даже передавали сигнал с помощью связанной RFID-антенны в режиме реального времени», – сказал Луис Соенксен, один из первых авторов исследования. .

Это прорывное исследование, проведенное Джеймсом Коллинзом и его командой на платформе живых сотовых устройств Института Wyss, демонстрирует ценность технологии CRISPR для совершенно новых областей, от диагностики и диагностики до биоэлектроники, и отмечает еще одну вдохновляющую точку перегиба для биомедицинских разработок, позволивших по этой биоинспирированной технологии. "

Директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер, доктор медицинских наук, профессор, который также является профессором по биологии сосудов Джуды Фолкман в HMS, Программе биологии сосудов в Бостонской детской больнице, и профессором биоинженерии в Гарвардской школе Джона А. Полсона. инженерных и прикладных наук (SEAS).

        

Источник:

Институт биологической инженерии Wyss в Гарварде

      

Source link