科学:用CRISPR制造智能材料 可传递药物、感知生物信号

邓文龙

作者：James Collins 来源：《科学》

发布时间：2019/8/27 11:14:46

科学家用CRISPR制造智能材料
可以传递药物、感知生物信号

还有什么是CRISPR不能做的吗？科学家已经使用这种基因编辑工具制造了大量基因改造生物，同时还用它来追踪动物发育、检测疾病以及控制害虫。

如今，他们又发现了这种基因编辑工具的另一个应用——使用CRISPR创建智能材料，后者能够根据指令改变自己的形状。

研究人员在日前出版的美国《科学》杂志上发表报告称，这种可变形的材料能够用来运送药物，并为几乎所有的生物信号“站岗放哨”。这项研究由剑桥市麻省理工学院生物工程师James Collins主持。

Collins的团队研究的是由脱氧核糖核酸（DNA）链连接在一起的充满水的高分子聚合物（被称为DNA水凝胶）。为了改变这些材料的性质，Collins和他的团队采用了一种形式的CRISPR，后者使用一种叫做Cas12a的DNA剪切酶。（基因编辑器CRISPR-Cas9使用Cas9酶在需要的位置剪切DNA序列）

Cas12a酶可以被编程来识别一种特定的DNA序列。这种酶会切断其目标的DNA链，然后切断附近的单链DNA。

这一特性使得研究人员能够构建一系列由CRISPR控制的水凝胶，其中包含一个目标DNA序列以及单链DNA——当Cas12a识别出一个刺激物中的目标序列后，这些单链DNA就会断裂。

单个DNA链的断裂触发水凝胶改变形状，或者在某些情况下完全溶解，进而释放有效载荷。

例如，作为一项治疗的一部分，出于对刺激的响应，研究小组创造的这些水凝胶可以释放酶、药物甚至人类细胞。

Collins希望这种水凝胶能被用来创建智能的治疗方法，例如在肿瘤存在时释放抗癌药物，或者在感染部位周围释放抗生素。

研究人员还将CRISPR控制的水凝胶集成到电子电路中。

在一项尝试中，他们把水凝胶放入一个名为微流体室的小芯片状的装置中，这个装置与一个电子电路相连。当检测到来自包括埃博拉病毒和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等在内的病原体的遗传物质时，作为响应，该电路将会被关闭。

研究团队甚至利用水凝胶开发了一个诊断工具原型——当它在实验室样本中识别出埃博拉病毒的遗传物质时便会发送无线电信号。如果一名团队成员在背包里携带了无线电探测器，他只需简单地走近这些样本就能识别出其中的阳性样本。

纽约州康奈尔大学伊萨卡分校生物工程师Dan Luo说，CRISPR水凝胶是对其他响应性水凝胶的一次改进，因为科学家可以很容易地确定是什么触发了材料的变化。过去创造智能水凝胶时所使用的酶要么不能切割特定的DNA 序列，要么只能切割少量特定的序列，进而限制了它们的适应性。

“我们现在正处于CRISPR的时代。”Collins说，“它已经接管了生物学和生物技术。我们已经证明，它现在可以进入材料和生物材料领域。”

CRISPR又被称为基因剪刀，是生物科学领域的游戏规则改变者，这种突破性的技术通过Cas9酶发现、切除并取代DNA的特定部分。这种技术的影响极其深远，从改变老鼠皮毛的颜色到设计不传播疟疾的蚊子和抗虫害作物，再到修正镰状细胞性贫血等各类遗传疾病等等。该技术十分精准、廉价、易于使用，并且非常强大。（来源：中国科学报 赵熙熙）

相关论文信息：DOI: 10.1126/science.aaw5122

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780

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邓文龙

作者：谭蔚泓等 来源：《科学》

发布时间：2019/9/3 19:05:18

科学家利用基因编辑技术构建智能响应水凝胶

上海交通大学医学院分子医学研究院院长、中国科学院院士谭蔚泓团队近日在《科学》在线发表评述，介绍了利用CRISPR基因编辑技术构建智能水凝胶体系的最新进展。该体系可作为便携、快速和定量的生物传感器，用于检测危险病毒病原体的特定菌株，区分病原菌、人类DNA的基因型，体外鉴定无细胞肿瘤DNA突变等。DNA水凝胶与CRISPR-Cas系统结合，将有利于提高基因编辑相关应用的精确性、高效性以及时空可控性。

CRISPR是细菌特有的一种免疫防御机制，可以选择性地把病毒基因从自己的染色体上切除，达到保护自身的目的。利用这种机制，科学家开发了基于CRISPR的基因编辑技术，也是目前最有效、应用最广泛的基因编辑技术。

DNA水凝胶的设计和制备是近年来生物医学领域广泛关注的焦点之一。DNA水凝胶是由DNA分子自组装形成的一种介于流体和固体之间的亲水材料，具有优异的生物相容性和多种可设计的刺激响应能力，广泛应用于药物递送和人工组织等智能诊疗领域中。但是，目前基于DNA的水凝胶体系设计复杂，对外部刺激的快速识别和响应通常需要高浓度的触发信号。

论文中，研究人员介绍了一种利用DNA剪切酶Cas12a进行程序性核酸切割的DNA智能水凝胶的构建方法。这种方法构造的DNA水凝胶具有高灵敏性、高选择性以及可模块化的特点，可应用于病毒检测、细胞培养、电路控制、信号传递等多个领域。该智能水凝胶的构建极大地拓展了智能DNA水凝胶的应用范围，同时也标志着CRISPR基因编辑技术进军材料领域。（来源：中国科学报 黄辛 袁蕙芸 叶佳琪）

相关文章信息：http://doi.org/10.1126/science.aay4198

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/754

http://paper.sciencenet.cn/htmlp ... 18552070752194.shtm