Интернет тел: использование CRISPR для электрического соединения и управления геномом

Как и Интернет вещей (IoT), IoB означает доступ к человеческому телу и управление им через Интернет. Здесь мы подробно описываем, как CRISPR можно использовать для электрического соединения с геномом и в качестве доказательства концепции управления отображением транскрипционных информационных сетей внутри E. coli и Salmonella.

Технологии сыграли преобразующую роль в нашей жизни, и их влияние на здоровье человека никогда не ощущается сильнее, чем в нынешние времена глобальной пандемии Covid-19.

В этом сценарии разработка автономных систем контроля и управления здоровьем, также называемых системами с замкнутым контуром, которые «ощущают» и «действуют» в направлении биологического состояния (Ковачев и другие, 2009; Береньи и другие, 2012), могут сыграть решающую роль в преодолении кризисов в области здравоохранения в будущем. Успешное внедрение электронных систем здравоохранения с замкнутым контуром зависит от разработки новых методов биологического срабатывания, которые до сих пор ограничивались вековой нейронной стимуляцией и оптогенетикой.

Недавние достижения в области биологической активации проистекают из синтетической биологии, где наша группа и другие сообщили о генных цепях, которые реагируют на электрические сигналы с выражением конкретного гена интересов (Weber и другие, 2008; Чирхарт и другие, 2017; Кравчик и другие, 2020). В предыдущей публикации наша группа подробно описала бактериальный промотор SoxS на основе окислительно-восстановительного потенциала, который реагирует на определенные электрохимические сигналы, которые могут генерироваться через внешний электрод.

Используя этот промотор, конкретные интересующие трансгены могут быть экспрессированы в бактериях в ответ на запрограммированные электрические стимулы. В этой работе мы сделали следующий логический скачок в этой технологии, то есть с помощью электрических сигналов для соединения и управления транскрипционными сетями в геноме клеток (Бхокишам и др., 2020).

Чтобы помочь в нашем поиске, мы использовали технологию CRISPR, которая предоставляет средства для нацеливания на любую конкретную цель в геноме. В частности, мы использовали активатор транскрипции на основе dCas9 для электрической активации и репрессии избранных генов, представляющих интерес.

Во-первых, мы интегрировали систему CRISPR с электроактивным промотором на основе SoxR, оптимизировали различные компоненты, задействованные в системе CRISPR, чтобы создать настраиваемую и индуцируемую систему. Таким образом, с помощью CRISPR мы электрически активировали LasI, аутоиндуктор-1 (AI-1) синтазу, что привело к генерации AI-1, медиатора, воспринимающего кворум (рис. 2 и 3).

Позже мы перепрофилировали активатор CRISPR, чтобы одновременно репрессировать и отдельные гены. Поскольку электрохимические стимулы, управляющие промотором SoxS, также вызывают окислительный стресс, бактериальные клетки активируют внутренние защитные реакции от стресса, чтобы ослабить электрические стимулы. Мы использовали перепрофилированный активатор CRISPR для подавления активации защиты от окислительного стресса в E. палочки и С. энтерика, что приводит к усилению продукции промотора, реагирующего на электрические стимулы (рис. 4).

При помещении в контекст сложных пространственно-временных градиентов сигнала на биоэлектронном интерфейсе клетки с подавленной защитой от окислительного стресса проявляли более согласованные ответы по отношению к градиентам внешнего сигнала (рис. 5).

Эта концепция подавления определенных элементов в геноме для поддержания лучшего соответствия с внешней средой вдохновлена ​​природой и обнаруживается также в эмбриогенезе и дрожжах (Yu. и другие, 2008; Паульсен и другие, 2011).

Прочитайте полную историю здесь…