Internet Of Bodies: Brug af CRISPR til elektrisk at forbinde og kontrollere genomet

Ligesom Internet of Things (IoT), refererer IoB til adgang og kontrol af menneskekroppen via internettet. Her beskriver vi, hvordan CRISPR kan bruges til at forbinde elektrisk med genomet og som et proof of concept vise kontrol over transskriptionelle informationsnetværk inde i E. coli og Salmonella.

Teknologi har spillet en transformerende rolle i vores liv, og dens indvirkning på menneskers sundhed mærkes aldrig mere end i de nuværende tider med den globale Covid-19-pandemi.

I dette scenarie, udvikling af autonome sundhedssensing og aktiveringssystemer, også omtalt som lukkede sløjfesystemer, der 'sanser' og 'agerer' hen imod en biologisk tilstand (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), kan spille en afgørende rolle i håndteringen af ​​fremtidens sundhedskriser. Succesfuld indførelse af elektroniske lukkede kredsløb for menneskelige sundhedssystemer er afhængig af udviklingen af ​​nye metoder til biologisk aktivering, som hidtil har været begrænset til den århundrede gamle neurale stimulering og optogenetik.

Nylige fremskridt inden for biologisk aktivering stammer fra syntetisk biologi, hvor vores gruppe og andre har rapporteret genkredsløb, der reagerer på elektriske signaler med ekspression af specifikke gen af ​​interesse (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). I en tidligere publikation havde vores gruppe beskrevet en redox-baseret bakteriel promotor SoxS, der reagerer på specifikke elektrokemiske signaler, der kan genereres via en ekstern elektrode.

Ved at bruge denne promotor kan specifikke transgener af interesser udtrykkes i bakterier som svar på programmerede elektriske stimuli. I dette arbejde har vi taget det næste logiske spring for denne teknologi, det vil sige at bruge elektriske signaler til at forbinde og kontrollere transskriptionelle netværk i cellernes genom (Bhokisham et al., 2020).

For at hjælpe i vores forfølgelse udnyttede vi CRISPR-teknologien, der giver midlerne til at målrette ethvert specifikt mål i genomet. Specifikt brugte vi den dCas9-baserede transkriptionelle aktivator til elektrisk at aktivere og undertrykke udvalgte gener af interesser.

For det første integrerede vi CRISPR-systemet med den SoxR-baserede elektroresponsive promotor, optimerede forskellige komponenter involveret i CRISPR-systemet for at lave et afstembart og inducerbart system. På denne måde aktiverede vi ved hjælp af CRISPR LasI, en autoinducer-1 (AI-1) syntase, hvilket resulterede i generering af AI-1, en quorum sensing mediator (fig. 2 og 3).

Senere genbrugte vi CRISPR-aktivatoren til samtidig at undertrykke udvalgte gener. Da de elektrokemiske stimuli, der driver SoxS-promotoren, også inducerer oxidativt stress, aktiverer bakterieceller iboende stressforsvarsreaktioner for at dæmpe de elektriske stimuli. Vi brugte den genbrugte CRISPR-aktivator til at undertrykke aktiveringen af ​​oxidativt stressforsvar i E. coli   S. enterica, hvilket således fører til øget output fra den elektriske stimuli-responsive promotor (fig. 4).

Når de placeres i sammenhæng med de komplekse rum-temporale signalgradienter ved den bioelektroniske grænseflade, viste celler med undertrykt oxidativ stressforsvar mere tilpassede reaktioner i forhold til de eksterne signalgradienter (fig. 5).

Dette koncept med at dæmpe visse elementer i genomet for at opretholde bedre kongruens med eksterne miljøer er naturinspireret og findes også i embryogenese og gær (Yu et al., 2008; Paulsen et al.2011).

Læs hele historien her ...