CRISPR基因组编辑系统最为人所知的潜力，在于纠正致病突变以及将新基因导入活细胞。如今，麻省理工学院与哈佛大学的一个团队将CRISPR用于一个截然不同的目的：制造新型材料，例如凝胶，这类材料在遇到特定DNA序列时能够改变其特性。
研究人员表明，他们可以利用CRISPR控制电子电路和微流控设备，并从凝胶中释放药物、蛋白质或活细胞。此类材料可用于制造针对埃博拉等疾病的诊断设备，或用于递送针对肠易激综合征等疾病的治疗方案。
“这项研究为展示CRISPR如何应用于材料科学的广泛领域提供了一个良好的起点，”麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）及生物工程系的Termeer医学工程与科学教授、该研究的通讯作者James Collins表示。
该研究的第一作者为麻省理工学院的研究生Max Atti English、Luis Soenksen和Raphael Gayet，以及博士后Helena de Puig。该研究于8月22日发表在《科学》杂志的在线版上。
DNA相互作用
CRISPR基于被称为Cas酶的DNA切割蛋白，这些蛋白与短链RNA引导物结合，后者将其引导至基因组的特定区域。Cas酶在这些位置切割DNA，从而删除一个基因或允许引入新的基因序列。
在过去几年中，大量研究致力于将CRISPR发展为一种基因编辑工具，通过切除或修复有缺陷的基因来治疗疾病。麻省理工学院与哈佛大学的团队着手对其进行改造，以制造能够响应外部信号（例如特定DNA序列的存在）的材料。
在这项工作中，他们使用了一种名为Cas12a的酶。通过仅改变与该酶一同提供的引导RNA序列，即可对其进行编程，使其与双链DNA的特定序列结合。Cas12a一旦遇到目标DNA序列（也称为触发序列），便会切割双链DNA，并转变为一种能够切割所遇到的任何单链DNA的酶。
“通过将DNA融入材料中，你可以利用这种酶，根据环境中特定的生物信号来控制材料的特性，”English表示。
研究人员利用这一特性，设计了在关键功能或结构作用中包含单链DNA的凝胶。在一个例子中，他们制造了由聚乙二醇（PEG）构成的凝胶，并利用DNA将酶或其他大型生物分子锚定在凝胶上。当被触发序列激活时，Cas12a会切断DNA锚点，从而释放出所载物质。
研究人员表示，这类凝胶可用于释放药物或生长因子等治疗性化合物。在另一个例子中，他们制造了一种丙烯酰胺凝胶，其中单链DNA构成凝胶结构的一个不可或缺的部分。在这种情况下，当Cas12a被触发激活时，整个凝胶会分解，从而释放出细胞或纳米颗粒等较大的载荷。
“在这种情境下，我们将单链DNA视为一种结构支架，”Gayet表示，“该酶能够催化切割单链DNA（它起着结构连接体的作用），并释放所有这些分子。”
研究人员目前正在探索利用这一方法递送工程化细菌细胞的可能性，以帮助治疗胃肠道疾病。
低成本诊断
研究人员还制造了两种由CRISPR控制的诊断设备，一种基于电子电路，另一种基于微流控芯片。
为制造电子电路，研究人员设计了一种凝胶，其中包含单链DNA以及一种名为炭黑的导电材料。当该凝胶附着于电极表面时，这种导电凝胶允许电流通过。然而，如果Cas12a被触发序列（例如来自血液样本中的病毒DNA链）激活，凝胶便会从电极上脱离，电流随即停止流动。
对于其微流控传感器，研究人员制造了一种含DNA的凝胶，它充当阀门，用于控制溶液在微流控通道中的流动。如果溶液中含有带有目标DNA序列的血液样本，凝胶便会分解，阀门关闭，溶液随之停止流动。该微流控传感器可以连接到一个RFID芯片上，使其能够以无线方式传输检测结果。
“一名医护人员可能同时监测数十名患者，埃博拉触发信号的有无将自动传递一个二进制信号，”Soenksen表示。
研究人员使用含有埃博拉病毒RNA的液体样本测试了这一方法，但它同样可以经调整用于检测其他传染病，以及在患者血液中循环的癌细胞。
卡内基梅隆大学机械工程教授Philip LeDuc将这项工作描述为“极具创造力”。
“这是两个不同领域之间一次非常非典型的交叉，这项工作的影响将极为深远，”未参与该研究的LeDuc表示，“这项跨学科工作可能会开启全新一代的方法，应用范围涵盖从构建人工器官到改善环境。”
该研究由美国国防威胁降低局、Paul G. Allen前沿集团，以及哈佛大学的Wyss生物启发工程研究所提供资金支持。
