O sistema CRISPR-Cas se tornou a ferramenta ideal para pesquisadores que estudam genes em uma lista cada vez maior de organismos, e está sendo usado para desenvolver novas terapias genéticas que potencialmente podem corrigir um defeito na posição de um único nucleotídeo de uma vasta extensão do genoma. Também está sendo aproveitado em abordagens diagnósticas contínuas para a detecção de patógenos e mutações causadoras de doenças em pacientes.

Agora, reportando Ciência , uma equipe de pesquisa do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering de Harvard e do Massachusetts Institute of Technology (MIT) demonstra o uso de CRISPR como um elemento de controle em um novo tipo de materiais "inteligentes" responsivos a estímulos. Após a ativação por estímulos específicos de DNA naturais ou definidos pelo usuário, uma enzima CRISPR-Cas permite que uma variedade de materiais inteligentes liberem carga ligada, como corantes fluorescentes e enzimas ativas, mudar suas estruturas para implantar nanopartículas encapsuladas e células vivas, ou regular circuitos elétricos, convertendo sinais biológicos em elétricos.

"Nosso estudo mostra que o poder do CRISPR pode ser aproveitado fora do laboratório para controlar o comportamento de materiais responsivos ao DNA. Desenvolvemos uma variedade de materiais com recursos muito diferentes que destacam a amplitude de aplicações habilitadas por materiais inteligentes programáveis ​​responsivos ao CRISPR , "disse o membro do corpo docente fundador do Wyss Institute, James Collins, Ph.D., que liderou o estudo e é líder da plataforma Living Cellular Devices do Instituto. "Essas aplicações incluem novas estratégias teranósticas, diagnósticos de ponto de atendimento, e o monitoramento regional de surtos epidêmicos e riscos ambientais. ”Collins também é o Termeer Professor de Engenharia Médica e Ciências e Professor de Engenharia Biológica no MIT.

O sistema CRISPR-Cas ganhou sua fama por causa de sua capacidade de encontrar quase qualquer sequência alvo no genoma com a ajuda de um curto RNA-guia complementar (gRNA), e cortar e reparar a fita dupla de DNA com precisão cirúrgica. No presente estudo, a equipe aproveitou uma variante da enzima Cas conhecida como Cas12a de uma bactéria Lachnospiraceae que tem a mesma capacidade de reconhecer e cortar sequências de DNA específicas, mas, ativado por este evento, importante, continua a clivar não especificamente o DNA de fita simples em sua vizinhança a uma taxa de cerca de 1250 turnovers por segundo.

"Incorporamos sequências de DNA alvo de fita simples em materiais poliméricos, seja como âncoras para cargas pendentes, ou como elementos estruturais que mantêm a integridade básica dos materiais, e pode controlar diferentes comportamentos de materiais apenas fornecendo Cas12a juntamente com um gRNA específico como um estímulo, "disse o co-primeiro autor Max English, que é um estudante de pós-graduação do MIT que trabalha com Collins.

Materiais responsivos a CRISPR para entrega de pequenas cargas Em uma variação de seu conceito, os pesquisadores anexaram diferentes cargas por meio de sequências de âncora de DNA de fita dupla a um material de hidrogel chamado poli (etilenoglicol). "As sequências âncora são direcionadas por enzimas Cas12a próximas na presença de gRNAs complementares, e são então degradados, "disse a co-autora Helena de Puig, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado na equipe de Collins. "Como resultado, podemos liberar cargas úteis como moléculas fluorescentes e enzimas a taxas que dependem das afinidades relativas dos pares gRNA / DNA alvo, bem como propriedades codificadas nos géis, como o tamanho dos poros, e as densidades das sequências âncora direcionadas reticuladas ao material do gel. "Os autores acham que essa abordagem poderia ser usada, por exemplo, desenvolver materiais com capacidade de diagnóstico e monitoramento ambiental.

Liberação estimulada de nanopartículas e células encapsuladas

Em escalas maiores, a equipe investigou sua abordagem para estimular mudanças estruturais em hidrogéis de poliacrilamida (PA) que encapsulam nanopartículas e células vivas. "Aqui, usamos sequências alvo Cas12a para reticular fitas de PA umas às outras e, assim, funcionar como elementos estruturais. A remoção dos reticuladores, desencadeando a atividade Cas12a, estimula mudanças mecânicas em toda a matriz de gel, que permitiu a liberação de nanopartículas de ouro e células primárias humanas, "disse Raphael Gayet, outro co-primeiro autor e estudante de graduação no grupo Collins. "Esta abordagem pode ser utilizada para liberar células em estruturas de tecido."

Biomateriais como fusíveis elétricos e válvulas controláveis

Ainda em uma avenida diferente, Collins e sua equipe desenvolveram materiais inteligentes responsivos ao CRISPR que podem atuar como fusíveis elétricos e válvulas controláveis ​​que regulam a passagem de fluidos. Os pesquisadores cobriram eletrodos com uma mistura de nanopartículas feitas de negro de fumo, um bom condutor de eletricidade, e fragmentos de DNA de fita simples aleatórios, e circundou os eletrodos com uma solução contendo Cas12a e um DNA alvo de fita dupla específico. "O material por si só permitia que uma corrente elétrica corresse entre os eletrodos. No entanto, quando desencadeamos a degradação dependente de Cas12a do DNA incorporado, o material foi interrompido e a corrente interrompida, "disse o co-autor Nicolaas Angenent-Mari da equipe de Collins.

Em dispositivos microfluídicos baseados em papel, a equipe montou uma pilha de micro-almofadas dobradas, cada uma desempenhando uma função específica. Eles pré-reagiram um gel de PA reticulado de DNA com Cas12a na ausência ou presença de um gatilho de DNA de fita dupla específico para Cas12a e cobriram uma almofada do meio com ele. Contudo, o gel formado apenas na ausência de um DNA desencadeador de Cas12a, e quando aplicado ao pad, entupiu seus poros. Isso, por sua vez, bloqueou o fluxo de um buffer que transportava eletrólitos do topo para o fundo da pilha, onde o eletrodo estava localizado. Em contraste, a presença de um DNA desencadeador de Cas12a evitou que o gel fosse reticulado e, assim, permitiu que o buffer fluísse e causasse uma corrente através do eletrodo, essencialmente atuando como um resistor. "Com esta abordagem, acoplamos a detecção do DNA correspondente ao RNA específico do vírus ebola com um sinal elétrico e até mesmo transmitimos o sinal com uma antena RFID acoplada em tempo real, "disse Luis Soenksen, também co-primeiro autor do estudo.

"Este estudo inovador de James Collins e sua equipe na plataforma Living Cellular Devices do Wyss Institute demonstra o valor da tecnologia CRISPR para campos inteiramente novos, variando de diagnósticos e teragnósticos à bioeletrônica, e marca mais um ponto de inflexão inspirador para desenvolvimentos biomédicos habilitados por esta tecnologia bioinspirada, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS, o Programa de Biologia Vascular do Hospital Infantil de Boston, e Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS).