Internet of Bodies: Utilizarea CRISPR pentru a conecta electric și a controla genomul

La fel ca Internetul lucrurilor (IoT), IoB se referă la accesul și controlul corpului uman prin internet. Aici, detaliem modul în care CRISPR poate fi utilizat pentru a se conecta electric cu genomul și ca dovadă a controlului de afișare a conceptului asupra rețelelor informaționale transcripționale din E. coli și Salmonella.

Tehnologia a jucat un rol transformator în viețile noastre, iar impactul ei asupra sănătății umane nu este niciodată simțit mai mult decât în ​​vremurile actuale ale pandemiei globale de Covid-19.

În acest scenariu, dezvoltarea sistemelor autonome de detectare și acționare a sănătății, denumite și sisteme în buclă închisă, care „simtează” și „acționează” față de o stare biologică (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), poate juca un rol esențial în abordarea crizelor de sănătate ale viitorului. Adoptarea cu succes a sistemelor electronice de sănătate umană în buclă închisă depinde de dezvoltarea de noi metode de acționare biologică, care până acum s-a limitat la stimularea neuronală și optogenetică veche de un secol.

Progresele recente în domeniul acționării biologice provin din biologia sintetică, unde grupul nostru și alții au raportat circuite genetice care răspund la semnale electrice cu expresia unei gene specifice de interese (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). Într-o publicație anterioară, grupul nostru a detaliat un promotor bacterian SoxS bazat pe redox, care răspunde la semnale electrochimice specifice care pot fi generate printr-un electrod extern.

Folosind acest promotor, transgenele specifice de interese pot fi exprimate în bacterii ca răspuns la stimuli electrici programați. În această lucrare, am făcut următorul salt logic pentru această tehnologie, adică utilizarea semnalelor electrice pentru a conecta și controla rețelele transcripționale din genomul celulelor (Bhokisham și colab., 2020).

Pentru a ne ajuta în urmărirea noastră, am exploatat tehnologia CRISPR care oferă mijloacele de a viza orice țintă specifică din genom. În mod specific, am folosit activatorul transcripțional bazat pe dCas9 pentru a activa și reprima electric anumite gene de interese.

În primul rând, am integrat sistemul CRISPR cu promotorul electro-responsiv bazat pe SoxR, am optimizat diverse componente implicate în sistemul CRISPR pentru a face un sistem reglabil și inductibil. În acest fel, utilizând CRISPR, am activat electric LasI, un autoinductor-1 (AI-1) sintază care are ca rezultat generarea de AI-1, un mediator de detectare a cvorumului (Fig. 2 și 3).

Mai târziu, am reutilizat activatorul CRISPR pentru a reprima simultan și anumite gene. Deoarece stimulii electrochimici care determină promotorul SoxS induc și stresul oxidativ, celulele bacteriene activează răspunsurile de apărare la stres intrinseci pentru a atenua stimulii electrici. Am folosit activatorul CRISPR reutilizat pentru a reprima activarea apărării stresului oxidativ în E. coli și S. enterica, conducând astfel la o ieșire îmbunătățită de la promotorul care răspunde la stimuli electrici (Fig 4).

Când sunt plasate în contextul gradienților complexi de semnal spațio-temporal la interfața bioelectronică, celulele cu apărări reprimate la stres oxidativ au afișat răspunsuri mai aliniate în raport cu gradienții de semnal extern (Fig. 5).

Acest concept de tăcere a anumitor elemente din genom pentru a menține o mai bună congruență cu mediile externe este inspirat de natură și se găsește și în embriogeneză și drojdie (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

Citește povestea completă aici ...