Internet ciał: wykorzystanie CRISPR do elektrycznego połączenia i kontroli genomu

Podobnie jak Internet of Things (IoT), IoB odnosi się do dostępu i kontroli ludzkiego ciała za pośrednictwem Internetu. W tym miejscu szczegółowo opisujemy, w jaki sposób CRISPR może być wykorzystany do elektrycznego połączenia z genomem i jako dowód słuszności kontroli wyświetlania nad transkrypcyjnymi sieciami informacyjnymi wewnątrz E. coli i Salmonelli.

Technologia odegrała transformacyjną rolę w naszym życiu, a jej wpływ na ludzkie zdrowie nigdy nie jest bardziej odczuwalny niż w obecnych czasach globalnej pandemii Covid-19.

W tym scenariuszu rozwój autonomicznych systemów wykrywania i uruchamiania stanu zdrowia, zwanych również systemami zamkniętej pętli, które „wyczuwają” i „działają” w kierunku stanu biologicznego (Kovatchev i in., 2009; Berényi i in., 2012), mogą odgrywać kluczową rolę w rozwiązywaniu przyszłych kryzysów zdrowotnych. Pomyślne przyjęcie elektronicznych systemów opieki zdrowotnej w pętli zamkniętej zależy od rozwoju nowych metod aktywacji biologicznej, które do tej pory ograniczały się do stuletniej stymulacji neuronalnej i optogenetyki.

Ostatnie postępy w dziedzinie aktywacji biologicznej wywodzą się z biologii syntetycznej, w której nasza grupa i inni donosili o obwodach genów, które reagują na sygnały elektryczne z ekspresją określonego genu będącego przedmiotem zainteresowania (Weber i in., 2008; Tschirhart i in., 2017; Krawczyka i in., 2020). We wcześniejszej publikacji nasza grupa szczegółowo opisała promotor bakteryjny SoxS oparty na reakcji redoks, który odpowiada na określone sygnały elektrochemiczne, które mogą być generowane przez zewnętrzną elektrodę.

Używając tego promotora, specyficzne transgeny będące przedmiotem zainteresowania mogą być wyrażane w bakteriach w odpowiedzi na zaprogramowane bodźce elektryczne. W tej pracy wykonaliśmy kolejny logiczny krok dla tej technologii, to znaczy wykorzystaliśmy sygnały elektryczne do łączenia i kontrolowania sieci transkrypcyjnych w genomie komórek (Bhokisham i in., 2020).

Aby wspomóc nasze dążenia, wykorzystaliśmy technologię CRISPR, która zapewnia środki do ukierunkowania na dowolny konkretny cel w genomie. W szczególności użyliśmy aktywatora transkrypcyjnego opartego na dCas9 do elektrycznej aktywacji i tłumienia wybranych genów będących przedmiotem zainteresowania.

Po pierwsze, zintegrowaliśmy system CRISPR z elektroreaktywnym promotorem opartym na SoxR, zoptymalizowaliśmy różne komponenty zaangażowane w system CRISPR, aby stworzyć przestrajalny i indukowalny system. W ten sposób, za pomocą CRISPR, elektrycznie aktywowaliśmy LasI, syntazę autoinduktora-1 (AI-1), w wyniku czego powstaje AI-1, mediator quorum sensing (ryc. 2 i 3).

Później zmieniliśmy przeznaczenie aktywatora CRISPR, aby jednocześnie tłumić również wybrane geny. Ponieważ bodźce elektrochemiczne, które napędzają promotor SoxS, również indukują stres oksydacyjny, komórki bakteryjne aktywują wewnętrzne reakcje obronne na stres w celu osłabienia bodźców elektrycznych. Zastosowaliśmy przeprojektowany aktywator CRISPR, aby stłumić aktywację obrony przed stresem oksydacyjnym w E. coli i S. enterica, prowadząc w ten sposób do zwiększonej wydajności z promotora reagującego na bodźce elektryczne (ryc. 4).

Po umieszczeniu w kontekście złożonych przestrzenno-czasowych gradientów sygnału na granicy bioelektronicznej, komórki z tłumioną obroną przed stresem oksydacyjnym wykazywały bardziej wyrównane odpowiedzi w stosunku do zewnętrznych gradientów sygnału (ryc. 5).

Ta koncepcja wyciszania pewnych elementów genomu w celu zachowania lepszej zgodności ze środowiskiem zewnętrznym jest inspirowana naturą i znajduje się również w embriogenezie i drożdżach (Yu i in., 2008; Paulsena i in.2011).

Przeczytaj całą historię tutaj…