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 genéticas que potencialmente pueden corregir un defecto en una sola posición de nucleótidos delvastos tramos del genoma. También se está aprovechando en los enfoques de diagnóstico en curso para la detección de patógenos y mutaciones que causan enfermedades en los pacientes.
Ahora, informando ciencia , un equipo de investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica 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" que responden a los estímulos. Tras la activación por medio natural específicoo estímulos de ADN definidos por el usuario, una enzima CRISPR-Cas permite que una variedad de materiales inteligentes liberen carga ligada, como tintes fluorescentes y enzimas activas, cambien sus estructuras para desplegar nanopartículas encapsuladas y células vivas, o regulen circuitos eléctricos convirtiendo lo biológico en eléctricoseñales
"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 destacan la amplitud de las aplicaciones habilitadas por la capacidad de respuesta CRISPR programablemateriales inteligentes ", dijo James Collins, Ph.D., miembro de la Facultad Fundacional del Instituto Wyss, quien dirigió el estudio y es líder de la plataforma de Dispositivos Celulares Vivos del Instituto." Estas aplicaciones incluyen nuevas estrategias teranósticas, diagnósticos en el punto de atención,y el monitoreo regional de brotes epidémicos y riesgos ambientales ". Collins también es el Profesor Termeer de Ingeniería Médica y Ciencia y Profesor de Ingeniería Biológica en el MIT.
El sistema CRISPR-Cas ha ganado fama debido a su capacidad para encontrar casi cualquier secuencia objetivo en el genoma con la ayuda de un ARN guía corto complementario ARNg, y para cortar y reparar la doble cadena de ADN con precisión quirúrgicaEn el presente estudio, el equipo aprovechó una variante de la enzima Cas conocida como Cas12a de una bacteria Lachnospiraceae que tiene la misma capacidad de reconocer y cortar secuencias de ADN específicas, pero, activada por este evento, lo que es más importante, continúa con la escisión no específicaADN trenzado en su vecindad a una velocidad de aproximadamente 1250 pérdidas por segundo.
"Incorporamos secuencias de ADN diana monocatenario en materiales poliméricos, ya sea como anclajes para cargas colgantes, o como elementos estructurales que mantienen la integridad básica de los materiales, y pueden controlar diferentes comportamientos de los materiales simplemente proporcionando Cas12a junto con un gRNA específico comoun estímulo ", dijo el coprimer autor Max English, quien es un estudiante graduado del MIT que trabaja con Collins.
Materiales que responden a CRISPR para entrega de carga pequeña En una variación de su concepto, los investigadores unieron diferentes cargas útiles a través de secuencias de anclaje de ADN bicatenario a un material llamado hidrogel de poli etilenglicol ". Las secuencias de anclaje están dirigidas por enzimas Cas12a cercanas en presencia de gRNA complementariosy luego se degradan ", dijo la coautora principal, Helena de Puig, Ph.D., investigadora postdoctoral en el equipo de Collins." Como resultado, podemos liberar cargas útiles como moléculas fluorescentes y enzimas a tasas que dependen delas afinidades relativas de los pares de ARNg / ADN objetivo, así como las propiedades codificadas en los geles, como el tamaño de los poros y las densidades de las secuencias de anclaje dirigidas entrecruzadas con el material del gel ". Los autores piensan que este enfoque podríaser utilizado, por ejemplo, para desarrollar materiales con capacidades 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 encapsulaban nanopartículas y células vivas ". Aquí, utilizamos las secuencias objetivo Cas12a para unir entre sí las cadenas de PA y así funcionar comoelementos estructurales. La eliminación de los reticuladores mediante la activación de la actividad Cas12a estimula los cambios mecánicos en toda la matriz de gel, lo que permitió la liberación de nanopartículas de oro y células primarias humanas ", dijo Raphael Gayet, otro coautor y estudiante graduado en el grupo Collins."Este enfoque podría utilizarse para liberar células en estructuras de tejido".
Biomateriales como fusibles eléctricos y válvulas controlables
En otra vía, Collins y su equipo diseñaron materiales inteligentes que responden a CRISPR que pueden actuar como fusibles eléctricos y válvulas controlables que regulan el paso de fluidos. Los investigadores cubrieron los electrodos con una mezcla de nanopartículas hechas de negro de carbón, un buen conductorde electricidad y fragmentos aleatorios de ADN monocatenario, y rodearon los electrodos con una solución que contiene Cas12a y un ADN objetivo específico de doble cadena ". El material por sí solo permitió que una corriente eléctrica corriera entre los electrodos. Sin embargo, cuando activamos Cas12adependiente de la degradación del ADN incrustado, el material se interrumpió y la corriente se interrumpió ", dijo el coautor Nicolaas Angenent-Mari del equipo de Collins.
En dispositivos microfluídicos basados en papel, el equipo reunió una pila de micro almohadillas plegadas que desempeñaban una función específica. Reaccionaron previamente un gel de PA reticulado de ADN con Cas12a en ausencia o presencia de un Cas12a específicoSin embargo, el gel se formó solo en ausencia de un ADN desencadenante de Cas12a y, cuando se aplicó a la almohadilla, obstruyó sus poros. Esto a su vez bloqueó el flujo de un tampónelectrolitos desde la parte superior hasta la parte inferior de la pila donde se encontraba un electrodo. Por el contrario, la presencia de un ADN desencadenante de Cas12a impidió que el gel se reticulara y, por lo tanto, permitió que el tampón fluya y provoque una corriente a través del electrodo,esencialmente actuando 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 estudio innovador de James Collins y su equipo en la plataforma de dispositivos celulares vivos del Instituto Wyss demuestra el valor de la tecnología CRISPR para campos completamente nuevos, que van desde el diagnóstico y el diagnóstico hasta la bioelectrónica, y marca otro punto de inflexión inspirador para desarrollos biomédicos habilitadospor esta tecnología bioinspirada ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS, el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital y Profesor de Bioingeniería en Harvard JohnA. Paulson School of Engineering and Applied Sciences SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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