MIT科学家开发CRISPR智能凝胶材料,能够感应DNA改变特性
栏目:新闻 发布时间:2019-10-09 12:34

  现在还有什么CRISPR不能做的吗?

  这是近期《自然》杂志上刊发的一篇评论里开头的一句话,也是我现在的心情。

  我们知道,CRISPR是一种(超)好用的基因编辑工具,除了给基因序列修修补补、帮助治疗疾病,它还能追踪动物的发育过程,快速检测和诊断疾病,改良农作物,控制蚊子防疟疾……如今,CRISPR又向一个新领域下手了。

  智能生物材料!

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图源 | pixabay

  这种新型的智能材料由水凝胶、单链DNA和CRISPR-Cas12a组成。当遇到目标DNA序列,Cas酶就会切断材料内的DNA,使凝胶的特性发生变化——比如说形状、硬度的变化,又或者是导电性、酸碱性的变化。

  那这个材料能干的事情就太多了~下可做载体靶向肿瘤DNA释放药物,上可联合其他平台做病原体检测,研究者还开发出了当“保险丝”的用法,可以说只有你想不到没有做不到~开发出这个大脑洞产品的是MIT的James Collins团队,论文发表在《科学》上[1]。

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甚至可以用来包装细胞

  能够响应外部环境变化的材料并不罕见,我们上学的时候就应该从物理课本上了解过光敏开关的原理。除了光之外,声、温度、电磁场、PH值都是已经广泛投入使用的可变材料响应元素。

  如果把应用限制在生物、医疗领域,那么很显然,这些响应元素就不是最优解了。对生物体来说,更敏感更具体的标志物是啥?大分子啊,蛋白啊,DNA啊!

  DNA是科学家们很关注的原材料。DNA本身是高特异性的,能让材料的变化更有针对性;同时,DNA也能够作为凝胶的一部分,与各种高聚物交联生成能够使用的材料。

  让这种DNA交联材料产生变化,就得通过一些外部方法,比如说DNA置换,比如说酶促反应,总之都是一些很依靠“量”的手段。问题来了,想保证整个儿系统快速敏感,那第一靶向的DNA浓度不能太低,第二换个靶向序列整个儿系统恐怕都得重新设计。

  实用性Emmmm……

  这个依赖CRISPR的材料智能之处就在这里了。

  这项研究中使用到的是CRISPR-Cas12a。Cas12a和我们最熟悉的Cas9有两点不同。一,Cas12a对靶向序列的识别方法不一样,要更精准、错误率更低;二,Cas12a在识别、切割所靶向的双链DNA之后,还会随机切割附近的单链DNA。

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Cas12a还会随机切割附近的单链DNA

  用在这个智能材料里呢,当遇到靶DNA,材料中的Cas12a就会开始工作把单链DNA切断,材料原本的特性就变化啦!

  CRISPR可不是个严密的定量反应,它能切一个就能切一百个。根据研究者的测算数据,CRISPR-Cas12a系统每秒的工作次数能够达到1250次。

  啥意思呢?只要外面有一丢丢靶DNA激活了CRISPR-Cas12a系统,它就能勤勤恳恳地开始工作了。这就相当于一个信号放大器,很少的DNA就能得到可检测的材料变化。

  而且我们知道的,CRISPR识别靶DNA主要靠一条向导RNA,更换不同的向导RNA,这套智能材料就可以用在任何我们想用的地方。

  是不是简单方便好神奇!

  在论文中,研究者提出了四种可能的用法。

  第一种,做载体。

  以聚乙二醇(PEG)为基质,遇靶DNA释放单链DNA交联的物质。

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  第二种,做包装。

  以聚丙烯酰胺(PA)为基质,遇靶DNA整个儿凝胶裂解,释放内容物。这里面能包裹的东西就多了,小分子药物、细胞因子等生物大分子甚至细胞都有可能。

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  第三种,做电开关。

  这种材料里面交联了导电炭黑(CB),通过切断单链DNA改变材料的导电性。这就是个感应DNA的保险丝啊。

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  第四种,联合微流体设备快速检测病毒。

  这种材料作为微流体设备种的填充物,随靶DNA改变渗透性,可以检测微量的病毒DNA。在实际使用中,和其他基于CRISPR的检测技术灵敏度基本一样。

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能检测到的病毒量相当低

  感觉这个智能材料的应用还远远不止这些呢。考虑好生物相容性和定量问题,拿来做生理指标体内监测不觉得也是个好主意吗?更换不同的Cas酶,识别更多的生物大分子,应用还可以更广~

  果然想象力才是第一科学生产力啊~你有啥脑洞,留言区分享下?

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