Il sistema CRISPR-Cas è diventato lo strumento di riferimento per i ricercatori che studiano i geni in un elenco sempre crescente di organismi, e viene utilizzato per sviluppare nuove terapie geniche che potenzialmente possono correggere un difetto in una posizione di un singolo nucleotide delle vaste aree del genoma. Viene anche sfruttato negli approcci diagnostici in corso per l'individuazione di agenti patogeni e mutazioni che causano malattie nei pazienti.

Ora, informare Scienza , un gruppo di ricerca presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e il Massachusetts Institute of Technology (MIT) dimostra l'uso di CRISPR come elemento di controllo in un nuovo tipo di materiali "intelligenti" sensibili agli stimoli. Dopo l'attivazione da parte di specifici stimoli del DNA naturali o definiti dall'utente, un enzima CRISPR-Cas consente a una varietà di materiali intelligenti di rilasciare carichi legati come coloranti fluorescenti ed enzimi attivi, cambiare le loro strutture per distribuire nanoparticelle incapsulate e cellule vive, o regolare i circuiti elettrici convertendo così i segnali biologici in elettrici.

"Il nostro studio mostra che la potenza di CRISPR può essere sfruttata al di fuori del laboratorio per controllare il comportamento dei materiali sensibili al DNA. Abbiamo sviluppato una gamma di materiali con capacità molto diverse che evidenziano l'ampiezza delle applicazioni abilitate dai materiali intelligenti programmabili che rispondono a CRISPR , ", ha affermato James Collins, membro della facoltà di base del Wyss Institute, dottorato di ricerca, che ha guidato lo studio ed è leader della piattaforma Living Cellular Devices dell'Istituto. "Queste applicazioni includono nuove strategie teranostiche, diagnostica del punto di cura, e il monitoraggio regionale delle epidemie e dei rischi ambientali." Collins è anche il Termeer Professor of Medical Engineering &Science e Professor of Biological Engineering al MIT.

Il sistema CRISPR-Cas ha guadagnato la sua fama grazie alla sua capacità di trovare quasi tutte le sequenze bersaglio nel genoma con l'aiuto di un breve RNA guida complementare (gRNA), e per tagliare e riparare il doppio filamento di DNA con precisione chirurgica. In questo studio, il team ha sfruttato una variante dell'enzima Cas nota come Cas12a da un batterio Lachnospiraceae che ha la stessa capacità di riconoscere e tagliare specifiche sequenze di DNA ma, attivato da questo evento, importante, continua a scindere in modo non specifico il DNA a singolo filamento nelle sue vicinanze ad una velocità di circa 1250 turni al secondo.

"Abbiamo incorporato sequenze di DNA bersaglio a filamento singolo in materiali polimerici, sia come ancore per carichi pendenti, o come elementi strutturali che mantengono l'integrità di base dei materiali, e può controllare diversi comportamenti dei materiali semplicemente fornendo Cas12a insieme a uno specifico gRNA come stimolo, " ha detto il co-primo autore Max English, che è uno studente laureato del MIT che lavora con Collins.

Materiali CRISPR-responsive per la consegna di piccoli carichi In una variazione del loro concetto, i ricercatori hanno collegato diversi carichi utili tramite sequenze di ancoraggio del DNA a doppio filamento a un cosiddetto materiale idrogel di poli(etilene glicole). "Le sequenze di ancoraggio sono prese di mira dagli enzimi Cas12a vicini in presenza di gRNA complementari, e poi vengono degradati, " ha detto la co-prima autrice Helena de Puig, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato nel team di Collins. "Di conseguenza, possiamo rilasciare carichi utili come molecole ed enzimi fluorescenti a velocità che dipendono dalle affinità relative delle coppie gRNA/DNA bersaglio, così come le proprietà hardcoded nei gel, come le dimensioni dei pori, e le densità delle sequenze di ancoraggio mirate reticolate al materiale del gel." Gli autori pensano che questo approccio potrebbe essere utilizzato, Per esempio, per sviluppare materiali con capacità diagnostiche e per il monitoraggio ambientale.

Rilascio stimolato di nanoparticelle e cellule incapsulate

A scale più grandi, il team ha studiato il loro approccio per indurre cambiamenti strutturali negli idrogel di poliacrilammide (PA) che incapsulano nanoparticelle e cellule vive. "Qui, abbiamo usato le sequenze bersaglio di Cas12a per reticolare i filamenti PA tra loro e quindi funzionare come elementi strutturali. La rimozione dei reticolanti innescando l'attività di Cas12a stimola i cambiamenti meccanici in tutta la matrice del gel, che ha permesso il rilascio di nanoparticelle d'oro e cellule primarie umane, " disse Raphael Gayet, un altro co-primo autore e studente laureato nel gruppo Collins. "Questo approccio potrebbe essere utilizzato per rilasciare le cellule negli scaffold dei tessuti".

Biomateriali come fusibili elettrici e valvole controllabili

Su una strada ancora diversa, Collins e il suo team hanno progettato materiali intelligenti sensibili a CRISPR che possono fungere da fusibili elettrici e valvole controllabili che regolano il passaggio dei fluidi. I ricercatori hanno coperto gli elettrodi con una miscela di nanoparticelle di nerofumo, un buon conduttore di elettricità, e frammenti casuali di DNA a filamento singolo, e circondato gli elettrodi con una soluzione contenente Cas12a e uno specifico DNA bersaglio a doppio filamento. "Il materiale di per sé ha consentito a una corrente elettrica di scorrere tra gli elettrodi. Tuttavia, quando abbiamo innescato la degradazione dipendente da Cas12a del DNA incorporato, il materiale si è interrotto e la corrente interrotta, ", ha affermato il coautore Nicolaas Agenent-Mari del team di Collins.

Nei dispositivi microfluidici cartacei, il team ha assemblato una pila di micro-tamponi piegati, ognuno dei quali svolgeva una funzione specifica. Hanno pre-reagito un gel PA reticolato al DNA con Cas12a in assenza o presenza di un trigger di DNA a doppio filamento specifico per Cas12a e hanno coperto un pad centrale con esso. Però, il gel si è formato solo in assenza di un DNA che innesca Cas12a, e quando applicato al pad, ostruito i suoi pori. Ciò a sua volta bloccava il flusso di un tampone che trasportava gli elettroliti dall'alto verso il basso della pila in cui si trovava un elettrodo. In contrasto, la presenza di un DNA che innesca Cas12a ha impedito al gel di essere reticolato e quindi ha permesso al tampone di fluire e causare una corrente attraverso l'elettrodo, fungendo essenzialmente da resistore. "Con questo approccio, abbiamo accoppiato il rilevamento del DNA corrispondente all'RNA specifico del virus ebola con un segnale elettrico e persino trasmesso il segnale con un'antenna RFID accoppiata in tempo reale, " ha detto Luis Soenksen, anche co-primo autore dello studio.

"Questo studio rivoluzionario di James Collins e del suo team nella piattaforma Living Cellular Devices del Wyss Institute dimostra il valore della tecnologia CRISPR per campi completamente nuovi, che vanno dalla diagnostica e teragnostica alla bioelettronica, e segna un altro punto di svolta stimolante per gli sviluppi biomedici consentiti da questa tecnologia bioispirata, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS, il programma di biologia vascolare presso il Boston Children's Hospital, e professore di bioingegneria presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard.