Gesundheit

Biomaterialien smarten mit CRISPR: Programmierbare CRISPR-responsive intelligenten Materialien könnte die Tür öffnen, um neuartige tissue engineering, bioelektronische und diagnostische Anwendungen

Die CRISPR-Cas-system hat sich die go-to-Werkzeug für Forscher, die Studie Gene, die in einer ständig wachsenden Liste von Organismen, und wird verwendet, um die Entwicklung neuer gen-Therapien, die potentiell richtige ein defekt an einer einzigen Nukleotid-position die weiten des Genoms. Ist es auch, genutzt, im Laufenden diagnostische Ansätze für die Erkennung von Krankheitserregern und Krankheit-verursachende Mutationen in Patienten.

Nun, die Berichterstattung in der Wissenschaft, ein Forscher-team an der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering und das Massachusetts Institute of Technology (MIT) demonstriert die Verwendung von CRISPR als Steuer-element in eine neue Art von stimuli-responsive „intelligente“ Materialien. Nach Aktivierung durch bestimmte Natürliche oder Benutzer-definierte DNA-Reize, einer CRISPR-Cas-Enzym ermöglicht eine Vielzahl von intelligenten Materialien zur Freigabe von bound cargo, wie die Fluoreszenz-Farbstoffe und Enzyme, verändern Ihre Strukturen zum bereitstellen von verkapselten Nanopartikeln und lebenden Zellen oder Regulierung von elektrischen Stromkreisen, dadurch biologische Umwandlung in elektrische Signale.

„Unsere Studie zeigt, dass die macht des CRISPR kann genutzt werden, außerhalb des Labors für die Steuerung des Verhaltens von DNA-responsive Materialien. Wir entwickelten eine Reihe von Materialien mit sehr unterschiedlichen Fähigkeiten, markieren die Breite von möglichen Anwendungen von programmierbaren CRISPR-responsive smart materials,“ sagte Wyss-Institut-Gründung Kern Mitglied der Fakultät, James Collins, Ph. D., der die Studie leitete, und ist ein führendes Unternehmen der Institut Lebt Zellulären Geräte-Plattform. „Diese Anwendungen sind neuartige theranostic Strategien, point-of-care-Diagnostik und der überwachung von Epidemien und Gefahren für die Umwelt.“ Collins ist auch der Termeer Professor für Medizintechnik & Wissenschaft und Professor of Biological Engineering am MIT.

Die CRISPR-Cas-system hat seinen Ruhm erlangte wegen seiner Fähigkeit, fast jedes Ziel-Sequenz im Genom mit Hilfe eines kurzen komplementären guide-RNA (gRNA), und zu schneiden und die Reparatur der DNA-Doppelstrang mit chirurgischer Präzision. In der vorliegenden Studie, das team nutzte eine Cas-Enzym-Variante bekannt als Cas12a von einem Lachnospiraceae bacterium, das hat die gleiche Fähigkeit zu erkennen und schneiden spezifische DNA-Sequenzen, sondern, aktiviert durch dieses Ereignis, was noch wichtiger ist, führt zu nicht-spezifisch an einzelsträngige DNA in Ihrer Nähe zu einem Preis von rund 1250 Umsätze pro Sekunde.

„Wir aufgenommen einzelsträngige Ziel-DNA-Sequenzen in Polymeren Materialien, die entweder als Anker für die Anhänger-Ladungen, oder als strukturelle Elemente, die die Materialien „grundlegende Integrität und kontrollieren können verschiedene Materialien Verhalten nur durch die Bereitstellung Cas12a zusammen mit einem bestimmten gRNA als ein Anreiz“, sagte co-Erstautor Max Deutsch, wer ist ein MIT-student im Aufbaustudium arbeiten mit Collins.

CRISPR-responsive Materialien, die für die kleinen Fracht-Lieferung In einer variation von Ihrem Konzept, die Forscher koppelten verschiedene payloads via double-stranded DNA-Anker-Sequenzen, um ein so genanntes poly(Ethylenglykol) – hydrogel-material. „Der Anker-Sequenzen sind Ziele in der Nähe Cas12a Enzymen in der Anwesenheit von komplementären gRNAs, und werden dann abgebaut“, sagte co-Erstautor Helena de Puig, Ph. D., ein Postdoktorand an der Collins‘ team. „Als Ergebnis, können wir loslassen Nutzlasten wie fluoreszierende Moleküle und Enzyme, die mit Zinssätzen, die abhängig von der relativen Affinitäten der gRNA/Ziel-DNA-Paare, sowie Eigenschaften, hart-codiert in den gelen, wie Ihre Poren, und die Dichte von gezielten Anker-Sequenzen, cross-linked gel-material.“ Die Autoren sind der Meinung, dass dieses Verfahren könnte zum Beispiel verwendet werden, Materialien zu entwickeln, die mit Diagnose-Möglichkeiten und für die überwachung der Umwelt.

Die stimulierte Freisetzung von verkapselten Nanopartikeln und Zellen

Bei größeren Skalen, die das team untersucht Ihren Ansatz für die Aufforderung, strukturelle änderungen in Polyacrylamid-Hydrogele (PA), die verkapselten Nanopartikeln und lebenden Zellen. „Hier haben wir verwendet, Cas12a target-Sequenzen, cross-link PA-Stränge zueinander und damit die Funktion als strukturelle Elemente. Entfernen des cross-linkers durch das auslösen Cas12a Aktivität regt die mechanischen änderungen, die über die gesamte gel-matrix, die es erlaubt gold-Nanopartikeln und menschlichen primären Zellen freigesetzt werden“, sagte Raphael Gayet, eine co-Erstautor und Doktorand in der Collins-Gruppe. „Dieser Ansatz könnte verwendet werden, um die Freisetzung von Zellen in Gewebe-scaffolds.“

Biomaterialien, die als elektrische sicherungen und steuerbare Ventile

Auf noch einer anderen avenue, Collins und sein team entwickelt CRISPR-responsive smart materials, der als elektrische sicherungen und steuerbare Ventile zur Regelung der Durchgang von Flüssigkeiten. Die Forscher Elektroden bedeckt mit einer Mischung von Nanopartikeln aus Kohlenstoff, schwarz, ein guter Leiter von Elektrizität und random single-stranded DNA-Fragmente, und umgeben die Elektroden mit einer Lösung, die Cas12a und eine spezifische doppelsträngige Ziel-DNA. „Das material von selbst aktiviert einen elektrischen Strom zwischen den Elektroden. Wenn wir jedoch ausgelöst Cas12a-abhängigen Abbau der eingebetteten DNA, das material wurde unterbrochen und der Strom unterbrochen“, sagte co-Autor Nicolaas Angenent-Mari von Collins‘ team.

Bei Papier-basierten Mikrofluidik, das team stellte ein Stapel gefalteter micro-pads, die jeder trug eine bestimmte Funktion. Sie pre-reagiert ein DNA-cross-linked-PA-gel mit Cas12a in Abwesenheit oder Anwesenheit eines Cas12a-spezifische, doppelsträngige DNA auslösen und abgedeckt eine mittlere pad mit ihm. Allerdings, das gel sich nur in der Abwesenheit von einem Cas12a auslösende DNA, und wenn man Sie auf das pad, verstopft die Poren. Dies wiederum blockiert den Durchfluss von Puffer Durchführung Elektrolyten von der Oberseite zu der Unterseite des Stapels, wo eine Elektrode befand. Im Gegensatz dazu, die Anwesenheit eines Cas12a auslösende DNA verhindert das gel vernetzt werden und ermöglichte damit den Puffer zu fließen und führen zu einem Strom über die Elektrode, die im wesentlichen als ein Widerstand. „Mit diesem Ansatz, wir gepaart die Erkennung von DNA entsprechend ebola-virus-spezifische RNA mit einem elektrischen signal und auch übertragen das signal mit einem gekoppelten RFID-Antenne in Echtzeit“, sagte Luis Soenksen, auch ein co-erste Autor auf der Studie.

„Diese bahnbrechende Studie von James Collins und sein team in das Wyss-Institut der Lebenden Zellulären Geräte-Plattform zeigt, dass der Wert der CRISPR-Technologie für völlig neue Felder, angefangen von der Diagnostik und theragnostics zu bioelectronics, und abermals inspirierend Wendepunkt für biomedizinische Entwicklungen ermöglicht durch das bioinspirierte Technologie,“ sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS, der Vaskulären Biologie-Programm am Boston Children ‚ s Hospital, und Professor für Bioengineering an der Harvard ‚ s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).