El sistema CRISPR-Cas se ha convertido en la herramienta de referencia para los investigadores que estudian genes en una lista cada vez mayor de organismos. y se está utilizando para desarrollar nuevas terapias génicas que potencialmente pueden corregir un defecto en una posición de un solo nucleótido de los vastos tramos del genoma. También se está aprovechando en enfoques de diagnóstico en curso para la detección de patógenos y mutaciones que causan enfermedades en los pacientes.

Ahora, reportando en Ciencias , un equipo de investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) demuestra el uso de CRISPR como elemento de control en un nuevo tipo de materiales "inteligentes" sensibles a los estímulos. Tras la activación por estímulos específicos de ADN naturales o definidos por el usuario, una enzima CRISPR-Cas permite que una variedad de materiales inteligentes liberen cargas ligadas, como tintes fluorescentes y enzimas activas, cambiar sus estructuras para desplegar nanopartículas encapsuladas y células vivas, o regular circuitos eléctricos convirtiendo así señales biológicas en eléctricas.

"Nuestro estudio muestra que el poder de CRISPR se puede aprovechar fuera del laboratorio para controlar el comportamiento de los materiales sensibles al ADN. Desarrollamos una gama de materiales con capacidades muy diferentes que resaltan la variedad de aplicaciones habilitadas por materiales inteligentes programables sensibles a CRISPR. , ", dijo James Collins, miembro de la facultad fundamental fundadora del Instituto Wyss, Doctor., quien dirigió el estudio y es líder de la plataforma Living Cellular Devices del Instituto. "Estas aplicaciones incluyen estrategias teranósticas novedosas, diagnósticos en el punto de atención, y el monitoreo regional de brotes epidémicos y peligros ambientales ". Collins también es Profesor Termeer de Ingeniería y Ciencia Médicas y Profesor de Ingeniería Biológica en el MIT.

El sistema CRISPR-Cas ha ganado su fama debido a su capacidad para encontrar casi cualquier secuencia diana en el genoma con la ayuda de un breve ARN guía complementario (gRNA), y para cortar y reparar la doble hebra de ADN con precisión quirúrgica. En el presente estudio, El equipo aprovechó una variante de la enzima Cas conocida como Cas12a de una bacteria Lachnospiraceae que tiene la misma capacidad para reconocer y cortar secuencias de ADN específicas pero, activado por este evento, en tono rimbombante, continúa escindiendo de forma no específica el ADN monocatenario en su vecindad a una velocidad de aproximadamente 1250 cambios por segundo.

"Incorporamos secuencias de ADN diana monocatenarias en materiales poliméricos, ya sea como anclas para cargas colgantes, o como elementos estructurales que mantienen la integridad básica de los materiales, y puede controlar diferentes comportamientos materiales simplemente proporcionando Cas12a junto con un gRNA específico como estímulo, "dijo el co-primer autor Max English, quien es un estudiante graduado del MIT que trabaja con Collins.

Materiales que responden a CRISPR para la entrega de carga pequeña En una variación de su concepto, los investigadores adjuntaron diferentes cargas útiles a través de secuencias de anclaje de ADN de doble hebra a un material llamado hidrogel de poli (etilenglicol). "Las secuencias de anclaje están dirigidas por enzimas Cas12a cercanas en presencia de ARNg complementarios, y luego se degradan, "dijo la co-primera autora Helena de Puig, Doctor., investigador postdoctoral en el equipo de Collins. "Como resultado, Podemos liberar cargas útiles, como moléculas fluorescentes y enzimas, a velocidades que dependen de las afinidades relativas de los pares de ARNg / ADN objetivo. así como propiedades codificadas en los geles, como el tamaño de sus poros, y las densidades de las secuencias de anclaje dirigidas entrecruzadas con el material del gel ". Los autores creen que este enfoque podría utilizarse, por ejemplo, para desarrollar materiales con capacidad de diagnóstico y para monitoreo ambiental.

Liberación estimulada de nanopartículas y células encapsuladas

A mayor escala, El equipo investigó su enfoque para provocar cambios estructurales en los hidrogeles de poliacrilamida (PA) que encapsulan nanopartículas y células vivas. "Aquí, utilizamos secuencias diana de Cas12a para entrecruzar las cadenas de PA entre sí y, por lo tanto, funcionar como elementos estructurales. La eliminación de los reticulantes mediante la activación de la actividad de Cas12a estimula los cambios mecánicos en toda la matriz del gel. que permitió la liberación de nanopartículas de oro y células primarias humanas, "dijo Raphael Gayet, otro co-primer autor y estudiante de posgrado en el grupo Collins. "Este enfoque podría utilizarse para liberar células en estructuras de tejido".

Biomateriales como fusibles eléctricos y válvulas controlables

En una avenida diferente Collins y su equipo diseñaron materiales inteligentes sensibles a CRISPR que pueden actuar como fusibles eléctricos y válvulas controlables que regulan el paso de fluidos. Los investigadores cubrieron electrodos con una mezcla de nanopartículas hechas de negro de carbón, un buen conductor de electricidad, y fragmentos aleatorios de ADN monocatenario, y rodeó los electrodos con una solución que contenía Cas12a y un ADN diana bicatenario específico. "El material por sí solo permitió que una corriente eléctrica pasara entre los electrodos. Sin embargo, cuando activamos la degradación dependiente de Cas12a del ADN incrustado, el material se interrumpió y la corriente se interrumpió, "dijo el coautor Nicolaas Angenent-Mari del equipo de Collins.

En dispositivos de microfluidos basados ​​en papel, el equipo reunió una pila de micropastillas dobladas, cada una de las cuales realizaba una función específica. Hicieron reaccionar previamente un gel de PA reticulado de ADN con Cas12a en ausencia o presencia de un activador de ADN de doble hebra específico de Cas12a y cubrieron una almohadilla intermedia con él. Sin embargo, el gel se formó solo en ausencia de un ADN desencadenante de Cas12a, y cuando se aplica a la almohadilla, obstruyó sus poros. Esto, a su vez, bloqueó el flujo de un tampón que transportaba electrolitos desde la parte superior hasta la parte inferior de la pila donde se encontraba un electrodo. A diferencia de, la presencia de un ADN desencadenante de Cas12a evitó que el gel se reticulara y, por lo tanto, permitió que el tampón fluyera y provocara una corriente a través del electrodo, actuando esencialmente como una resistencia. "Con este enfoque, acoplamos la detección de ADN correspondiente al ARN específico del virus del ébola con una señal eléctrica e incluso transmitimos la señal con una antena RFID acoplada en tiempo real, "dijo Luis Soenksen, también co-primer autor del estudio.

"Este innovador estudio de James Collins y su equipo en la plataforma Living Cellular Devices del Wyss Institute demuestra el valor de la tecnología CRISPR para campos completamente nuevos, que van desde el diagnóstico y la terapéutica hasta la bioelectrónica, y marca otro punto de inflexión inspirador para los desarrollos biomédicos habilitados por esta tecnología bioinspirada, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS, el Programa de Biología Vascular del Boston Children's Hospital, y profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS).