CRISPR-Cas系统已成为研究人员在不断增长的生物体中研究基因的首选工具，并被用于开发新的基因疗法，可以纠正大范围单核苷酸位置的缺陷。的基因组。它还在用于检测患者病原体和致病突变的持续诊断方法中得到利用。
现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和麻省理工学院(MIT)的研究团队在Science上的报告演示了将CRISPR用作新型刺激响应“智能”材料的控制元素。通过特定的天然或用户定义的DNA刺激激活，CRISPR-Cas酶使各种智能材料能够释放结合的货物，如荧光染料和活性酶，改变其结构以部署包封的纳米颗粒和活细胞，或调节电路从而将生物转化为电信号。
“我们的研究表明，CRISPR的功能可以在实验室之外用于控制DNA响应材料的行为。我们开发了一系列具有不同能力的材料，突出了可编程CRISPR响应智能材料所应用的广泛应用“Wyss Institute创始核心学院成员James Collins博士说，他是该研究的负责人，也是该研究所Living Cellular Devices平台的领导者。“这些应用包括新的治疗诊断策略，即时诊断以及对流行病爆发和环境危害的区域监测。”柯林斯还是麻省理工学院医学工程与科学的Termeer教授和生物工程教授。
CRISPR-Cas系统因其能够利用短的互补指导RNA(gRNA)在基因组中找到几乎任何靶序列，并且能够以手术精确度切割和修复DNA双链而获得了声誉。在本研究中，研究小组利用了来自Lachnospiraceae细菌的Cas12a Cas酶变体，该细菌具有相同的识别和切割特定DNA序列的能力，但是，通过该事件激活，重要的是，进行非特异性切割单链其附近的DNA的速率约为每秒1250次。
“我们将单链靶DNA序列整合到聚合物材料中，作为悬垂货物的锚点，或作为维持材料基本完整性的结构元素，并且可以通过提供Cas12a和特定gRNA作为刺激来控制不同的物质行为“联合第一作者马克斯英语说，他是麻省理工学院的科林斯研究生。
用于小型货物交付的CRISPR响应材料
在他们的概念的一个变体中，研究人员通过双链DNA锚定序列将不同的有效载荷附着到所谓的聚(乙二醇)水凝胶材料上。“在互补的gRNA存在下，锚定序列被附近的Cas12a酶靶向，然后被降解，”共同第一作者，Collins团队的博士后研究员Helena de Puig博士说。“因此，我们可以释放有效物质，如荧光分子和酶，其速率取决于gRNA /靶DNA对的相对亲和力，以及硬编码到凝胶中的特性，例如它们的孔径，以及密度。靶向锚定序列与凝胶材料交联。“作者认为可以使用这种方法，例如，
在更大的范围内，该团队研究了他们的方法，以促使包裹纳米粒子和活细胞的聚丙烯酰胺水凝胶(PA)发生结构变化。“在这里，我们使用Cas12a靶序列将PA链彼此交联，从而起到结构元素的作用。通过触发Cas12a活性去除交联剂刺激整个凝胶基质的机械变化，这允许金纳米粒子和人类原发性将要释放的细胞，“柯林斯集团的另一位共同第一作者和研究生Raphael Gayet说。“这种方法可用于将细胞释放到组织支架中。”
生物材料作为电熔丝和可控阀门
在一个不同的途径，柯林斯和他的团队设计了CRISPR响应智能材料，可以作为电动保险丝和可控阀门调节流体通过。研究人员用炭黑，电导体和随机单链DNA片段制成的纳米粒子混合物覆盖电极，并用含有Cas12a和特定双链靶DNA的溶液包围电极。“这种材料本身可以使电极在电极之间流动。然而，当我们触发Cas12a依赖的嵌入DNA降解时，材料被破坏，电流中断，”共同作者Nicolaas Angenent-Mari来自柯林斯说。球队。
在纸质微流体装置中，该团队组装了一叠折叠的微型垫，每个微型垫都具有特定的功能。在不存在或存在Cas12a特异性双链DNA触发剂的情况下，它们使DNA交联的PA凝胶与Cas12a预反应，并用它覆盖中间垫。然而，凝胶仅在没有Cas12a触发DNA的情况下形成，并且当施加到垫上时，其堵塞其孔。这又阻止了携带电解质的缓冲液从电极所在的电池堆的顶部到底部的流动。相反，Cas12a触发DNA的存在阻止了凝胶的交联，从而使缓冲液流动并在电极上产生电流，基本上充当电阻器。“用这种方法，
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