Система CRISPR изменения генома является самым известным за его потенциала для устранения болезнетворных мутаций и добавления новых генов в живых клетках. Теперь, команда из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета развернула ТРИФОСФАТЫ для совершенно разных целей: создание новых материалов, таких как гели, которые могут изменять свои свойства, когда они сталкиваются с конкретными последовательностями ДНК.
Исследователи показали, что они могут использовать CRISPR для контроля электронных цепей и устройств микрофлюидных и высвобождают лекарственные вещества, белки, живые клетки из гелей. Такие материалы могут быть использованы для создания диагностических устройств для заболеваний, таких как Эбола, или поставить методы лечения таких заболеваний, как синдром раздраженного заболевания кишечника.
“Это исследование служит хорошей отправной точкой для демонстрации ТРИФОСФАТЫ могут быть использованы в материаловедении для очень широкого спектра применений”, — говорит Джеймс Коллинс, Termeer профессор медицинской инженерии и науки в МТИ Институт медицинской инженерии и науки (ИМЭС) и кафедрой биологической инженерии и ведущий автор исследования.
Ведущие авторы исследования, которое появляется в августа. 22 интернет-издание о науке, МИТ аспирантов Макс Атти английский, Луис Soenksen, и Рафаэль Гайе, и постдок Елены де Пуч.
Взаимодействие ДНК
ТРИФОСФАТЫ, основанные на ДНК-резка белки, называемые КАС ферменты, которые связываются с РНК-короткие направляющие, которые направляют их к определенным областям генома. Режет КАС ДНК в тех местах, удалив ген или введены новые генетические последовательности.
За последние несколько лет, много исследований было посвящено развитию ТРИФОСФАТЫ в качестве гена-редактирования инструмент для лечения болезни путем вырезания или ремонтировать дефектные гены. MIT и Гарвард команда задалась целью адаптировать его для создания материалов, которые могут реагировать на внешние стимулы, такие как наличие определенной последовательности ДНК.
Для этой работы они использовали фермент, известный как Cas12a, который может быть запрограммирован для привязки к конкретной последовательности двухцепочечной ДНК путем простого изменения в руководстве последовательность РНК, которая дается вместе с ферментом. Когда Cas12a сталкивается с целевой последовательностью ДНК, называемой также триггер, он расщепляет двухцепочечную ДНК и превращается в фермент, который может разрезать любой одноцепочечной ДНК, с которым он сталкивается.
“Путем включения ДНК в материалов, вы можете использовать этот фермент для контроля свойств материалов в ответ на конкретный биологический кий в окружающую среду”, — говорит Билл англичанин.
Исследователи воспользовались этим, чтобы дизайн гелями, которые включают одноцепочечной ДНК в ключевых функциональных или структурных ролей. В одном примере, они создали гель изготовлен из полиэтилен гликоля (ПЭГ) и использовали ДНК, чтобы якорь ферментов или других крупных биомолекул на гель. При активации последовательности триггер, Cas12a режет якоря ДНК, освобождая груз.
Что типа гель может быть полезно для освобождения терапевтические соединения, такие как наркотики или факторы роста, говорят исследователи. В другом примере, они создали акриламида гель, в котором одноцепочечной ДНК является неотъемлемой частью структуры геля. В том случае, когда Cas12a активируется триггером, весь гель ломается, что позволяет выпуск более крупных грузов, таких как клетки или наночастиц.
“В этом контексте мы рассматриваем одноцепочечной ДНК в качестве структурного эшафот,” Гайе говорит. “Фермент способен катализировать расщепление одноцепочечной ДНК, которая выступает в качестве структурного линкер, и освободить всех тех молекул”.
Исследователи в настоящее время изучают возможность использования этого подхода для доставки инженерии бактериальных клеток для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Недорогая диагностика
Исследователи также создали два ТРИФОСФАТЫ-контролируемых диагностических устройств, основанных на электронная схема и другие на микроструйный чип.
Создать электронную схему, исследователи разработали гель, который включает в себя одноцепочечные ДНК и материала, называемого углеродной сажи, который проводит электричество. При подключении к поверхности электрода, этот токопроводящий гель позволяет электрическому току протекать. Однако, если Cas12a активируется последовательность пуска, таких как нити вирусной ДНК из образца крови, гель отделяется от электрода и ток перестает течь.
Для их датчик микрофлюидных ученые создали ДНК-содержащий гель, который действует как клапан, который контролирует подачу раствора через канал микрофлюидного. Если раствор содержит образец крови с целевой последовательностью ДНК, гель ломается, отключив клапан, и раствор перестает течь. Этот датчик микрофлюидных может быть связано с чипом RFID, что позволяет без проводов передавать результаты теста.
“Медработник может контролировать десятки пациентов, и наличие или отсутствие Эболы триггер, который автоматически передает двоичный сигнал,” Soenksen говорит.
В то время как исследователи использовали образцы жидкости, содержащей РНК вируса лихорадки Эбола, чтобы проверить этот подход, он также может быть адаптирован для выявления других инфекционных заболеваний, а также раковые клетки, циркулирующие в кровотоке пациента.
Филипп Ледюк, профессор механической инженерии в Университете Карнеги-Меллон, описывает работу как “очень творческие”.
“Это очень неочевидное пересечение двух разных полей, и влияние этой работы будет иметь далеко идущие последствия”, — говорит Ледюк, который не был вовлечен в исследование. “Это трансдисциплинарной работы может позволить целого поколения новых подходов для приложений, от создания искусственных органов для улучшения экологической обстановки”.
Исследование финансировалось Агентством по уменьшению угрозы минобороны, пол Г. Аллен границ группы, и Висс институт биологически вдохновленный инженерии в Гарвардском университете.
