Internet Of Bodies: Bruke CRISPR for å elektrisk koble til og kontrollere genomet

Akkurat som tingenes internett (IoT), refererer IoB til tilgang og kontroll av menneskekroppen via internett. Her beskriver vi hvordan CRISPR kan brukes til å koble elektrisk til genomet og som et bevis på konseptet viser kontroll over transkripsjonelle informasjonsnettverk inne i E. coli og Salmonella.

Teknologi har spilt en transformerende rolle i livene våre, og dens innvirkning på menneskers helse merkes aldri mer enn i den nåværende tiden av den globale Covid-19-pandemien.

I dette scenariet, utvikling av autonome helsesensing- og aktiveringssystemer, også referert til som lukkede sløyfesystemer som "sanser" og "handler" mot en biologisk tilstand (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), kan spille en kritisk rolle i å håndtere fremtidens helsekriser. Vellykket adopsjon av elektroniske lukkede sløyfer for menneskelige helsesystemer er avhengig av utviklingen av nye metoder for biologisk aktivering som så langt har vært begrenset til århundre gamle nevrale stimulering og optogenetikk.

Nylige fremskritt innen biologisk aktivering stammer fra syntetisk biologi der vår gruppe og andre har rapportert genkretser som reagerer på elektriske signaler med uttrykk for spesifikke gen av interesser (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). I en tidligere publikasjon hadde gruppen vår detaljert en redoksbasert bakteriepromoter SoxS som reagerer på spesifikke elektrokjemiske signaler som kan genereres via en ekstern elektrode.

Ved å bruke denne promoteren kan spesifikke transgener av interesser uttrykkes i bakterier som respons på programmerte elektriske stimuli. I dette arbeidet har vi tatt det neste logiske spranget for denne teknologien, det vil si å bruke elektriske signaler for å koble til og kontrollere transkripsjonelle nettverk i genomet til cellene (Bhokisham et al., 2020).

For å hjelpe i vår jakt, utnyttet vi CRISPR-teknologien som gir midler til å målrette et bestemt mål i genomet. Spesifikt brukte vi den dCas9-baserte transkripsjonsaktivatoren for å elektrisk aktivere og undertrykke utvalgte gener av interesser.

For det første integrerte vi CRISPR-systemet med den SoxR-baserte elektroresponsive promoteren, optimaliserte ulike komponenter involvert i CRISPR-systemet for å lage et justerbart og induserbart system. På denne måten, ved hjelp av CRISPR, aktiverte vi LasI elektrisk, en autoinducer-1 (AI-1) syntase som resulterte i generering av AI-1, en quorum sensing mediator (fig. 2 og 3).

Senere brukte vi CRISPR-aktivatoren til å undertrykke utvalgte gener samtidig. Siden de elektrokjemiske stimuli som driver SoxS-promotoren også induserer oksidativt stress, aktiverer bakterieceller iboende stressforsvarsresponser for å dempe de elektriske stimuli. Vi brukte den gjenbrukte CRISPR-aktivatoren for å undertrykke aktiveringen av oksidativt stressforsvar i E. coli og S. enterica, og fører dermed til økt utgang fra den elektriske stimuli-responsive promoteren (fig 4).

Når de plasseres i sammenheng med de komplekse spatio-temporale signalgradientene ved det bioelektroniske grensesnittet, viste celler med undertrykt oksidativt stressforsvar mer justerte responser i forhold til de eksterne signalgradientene (fig. 5).

Dette konseptet med å dempe visse elementer i genomet for å opprettholde bedre kongruens med ytre miljøer er naturinspirert og finnes også i embryogenese og gjær (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

Les hele historien her ...