CRISPR基因组编辑系统以其纠正致病突变和将新基因添加到活细胞中的潜力而闻名。现在，麻省理工学院和哈佛大学的一个团队已经部署了一个完全不同的目的：创造新的材料，如凝胶，当它们遇到特定的DNA序列时可以改变它们的特性。
研究人员表示，他们可以使用CRISPR控制电子电路和微流体装置，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诸如埃博拉病毒的诊断装置，或用于治疗诸如肠易激病等疾病。
麻省理工学院医学工程与科学研究所医学工程与科学的Termeer教授詹姆斯柯林斯说：“这项研究是展示CRISPR如何在材料科学中广泛应用的一个很好的起点。” )和生物工程系，以及该研究的高级作者。
这项研究的主要作者出现在8月22日的在线科学版上，是麻省理工学院的研究生Max Atti English，Luis Soenksen和Raphael Gayet，以及博士后Helena de Puig。
DNA相互作用
CRISPR基于称为Cas酶的DNA切割蛋白，其与短RNA指导物结合，将其引导至基因组的特定区域。Cas在这些位置切割DNA，删除基因或允许引入新的基因序列。
在过去几年中，许多研究致力于开发CRISPR作为基因编辑工具，通过切除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团队开始调整它以创造能够对外部线索做出反应的材料，例如某种DNA序列的存在。
对于这项工作，他们使用一种名为Cas12a的酶，通过简单地改变与酶一起给出的指导RNA序列，可以将其编程为与双链DNA的特定序列结合。一旦Cas12a遇到目标DNA序列(也称为触发因子)，它会切割双链DNA并转化为可以切割它遇到的任何单链DNA的酶。
“通过将DNA结合到材料中，您可以使用这种酶来控制材料的特性，以响应环境中特定的生物线索，”英语说。
研究人员利用这一点设计了将单链DNA纳入关键功能或结构角色的凝胶。在一个实例中，他们创建了由聚乙二醇(PEG)制成的凝胶，并使用DNA将酶或其他大的生物分子锚定到凝胶上。当通过触发序列激活时，Cas12a切割DNA锚，释放有效负载。
研究人员说，这种类型的凝胶可用于释放药物或生长因子等治疗性化合物。在另一个实例中，它们产生丙烯酰胺凝胶，其中单链DNA形成凝胶结构的组成部分。在这种情况下，当触发器激活Cas12a时，整个凝胶会分解，从而释放更大的货物，如细胞或纳米颗粒。
“在这种背景下，我们将单链DNA视为结构性支架，”Gayet说。“这种酶能够催化单链DNA的裂解，单链DNA充当结构连接体，并释放所有这些分子。”
研究人员正在探索使用这种方法提供工程细菌细胞以帮助治疗胃肠道疾病的可能性。
廉价的诊断
研究人员还创建了两个CRISPR控制的诊断设备，一个基于电子电路，另一个基于微流控芯片。
为了创建电子电路，研究人员设计了一种凝胶，其中包括单链DNA和一种称为炭黑的材料，可导电。当附着到电极表面时，该导电凝胶允许电流流动。然而，如果Cas12a被触发序列激活，例如来自血液样品的一条病毒DNA，凝胶就会从电极上脱离，电流停止流动。
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，它可以作为控制溶液流过微流体通道的阀门。如果溶液含有带有靶DNA序列的血液样品，则凝胶破裂，关闭阀门，溶液停止流动。该微流体传感器可以连接到RFID芯片，允许其无线传输测试结果。
“医护人员可以监测数十名患者，埃博拉触发器的存在与否将自动传递二进制信号，”Soenksen说。
虽然研究人员使用含有埃博拉病毒RNA的流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在患者血液中循环的癌细胞。
卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)机械工程教授Philip LeDuc将这项工作描述为“非常有创意”。
“这是一个非常明显的两个不同领域的交叉点，这项工作的影响将是深远的，”LeDuc说，他没有参与这项研究。“这项跨学科工作可能使整个新一代应用方法从建造人造器官到改善环境。”