使用CRISPR为凝胶添加新功能

CRISPR基因组编辑系统以其纠正致病突变和在活细胞中添加新基因的潜力而闻名。现在，来自麻省理工学院和哈佛大学的一个团队将CRISPR应用于一个完全不同的目的:创造新的材料，比如凝胶，当它们遇到特定的DNA序列时，可以改变它们的性质。

研究人员表示，他们可以利用CRISPR来控制电子电路和微流体设备，并从凝胶中释放药物、蛋白质或活细胞。这些材料可用于制造埃博拉等疾病的诊断设备，或用于治疗肠易激等疾病。

“这项研究是一个很好的起点展示CRISPR如何可以利用在材料科学一个非常广泛的应用,”詹姆斯·柯林斯说,医学工程和科学领域教授的麻省理工学院的医学工程和科学研究所(ime)和生物工程系,和该研究的资深作者。

这项研究的主要作者是麻省理工学院的研究生马克斯·阿蒂·英格利希、路易斯·森克森、拉斐尔·加耶和博士后海伦娜·德·普伊格。

DNA的相互作用

CRISPR是基于一种叫做Cas酶的dna切割蛋白质，这种蛋白质与短RNA结合，引导它们到达基因组的特定区域。Cas在这些位置上切割DNA，删除一个基因或允许引入新的基因序列。

在过去的几年里，许多研究致力于开发CRISPR作为一种基因编辑工具，通过剪切或修复有缺陷的基因来治疗疾病。麻省理工学院和哈佛大学的研究小组着手对其进行改造，以创造出一种材料，可以对外界信号做出反应，比如某种DNA序列的存在。

在这项研究中，他们使用了一种被称为Cas12a的酶，这种酶可以被编程，通过简单地改变随酶提供的引导RNA序列，与特定的双链DNA序列结合。一旦Cas12a遇到目标DNA序列(也称为触发器)，它就会分裂双链DNA，并转化成一种酶，这种酶可以切割它遇到的任何单链DNA。

英格利希说:“通过将DNA融入材料中，你可以利用这种酶来控制材料的性质，以响应环境中特定的生物暗示。”

研究人员利用这一点来设计凝胶，将单链DNA整合到关键的功能或结构中。在一个例子中，他们创造了一种由聚乙二醇(PEG)制成的凝胶，并用DNA将酶或其他大型生物分子固定在凝胶上。当被触发序列激活时，Cas12a切断DNA锚，释放有效载荷。

研究人员说，这种凝胶可以用于释放药物或生长因子等治疗化合物。在另一个例子中，他们创造了丙烯酰胺凝胶，其中单链DNA形成凝胶结构的一个组成部分。在这种情况下，当Cas12a被触发器激活时，整个凝胶就会分解，从而释放出更大的物质，如细胞或纳米颗粒。

盖耶说:“在这种情况下，我们认为单链DNA是一种结构支架。“这种酶能够催化单链DNA的裂解，而单链DNA作为一种结构连接剂，并释放所有这些分子。”

研究人员目前正在探索用这种方法运送工程细菌细胞来帮助治疗胃肠疾病的可能性。

廉价的诊断

研究人员还发明了两种crispr控制的诊断设备，一种基于电子电路，另一种基于微流体芯片。

为了创造电子电路，研究人员设计了一种凝胶，其中包括单链DNA和一种叫做炭黑的导电材料。当附着在电极表面时，这种导电凝胶允许电流流动。然而，如果Cas12a被触发序列激活，例如血液样本中的病毒DNA链，凝胶就会脱离电极，电流就会停止流动。

对于他们的微流体传感器，研究人员创造了一种含有dna的凝胶，它就像一个阀门，控制溶液通过微流体通道的流动。如果溶液中含有目标DNA序列的血液样本，凝胶就会分解，关闭阀门，溶液就会停止流动。这种微流体传感器可以连接到RFID芯片上，允许它无线传输测试结果。

Soenksen说:“一名医护人员可以监控数十名患者，埃博拉病毒触发点的存在与否将自动传递一个二进制信号。”

虽然研究人员使用含有埃博拉病毒RNA的液体样本来测试这种方法，但它也可以用于检测其他传染病，以及患者血液中循环的癌细胞。

卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)机械工程学教授菲利普·勒杜克(Philip LeDuc)称这项工作“极具创造性”。

“这是两个不同领域的一个非常不明显的交集，这项工作的影响将是深远的，”LeDuc说，他没有参与这项研究。“这项跨学科的工作可能为从制造人造器官到改善环境的应用提供全新的方法。”

这项研究由国防威胁减少局、保罗·g·艾伦前沿小组和哈佛大学威斯生物工程研究所资助。