Le système CRISPR-Cas est devenu l'outil de prédilection pour les chercheurs qui étudient les gènes dans une liste toujours croissante d'organismes, et est utilisé pour développer de nouvelles thérapies géniques qui peuvent potentiellement corriger un défaut à une seule position de nucléotide des vastes étendues du génome. Il est également exploité dans les approches diagnostiques en cours pour la détection d'agents pathogènes et de mutations causant des maladies chez les patients.

Maintenant, rapport dans Science , une équipe de recherche du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) démontre l'utilisation de CRISPR comme élément de contrôle dans un nouveau type de matériaux « intelligents » sensibles aux stimuli. Lors de l'activation par des stimuli ADN spécifiques naturels ou définis par l'utilisateur, une enzyme CRISPR-Cas permet à une variété de matériaux intelligents de libérer des cargaisons liées telles que des colorants fluorescents et des enzymes actives, modifier leurs structures pour déployer des nanoparticules encapsulées et des cellules vivantes, ou réguler les circuits électriques convertissant ainsi les signaux biologiques en signaux électriques.

"Notre étude montre que la puissance de CRISPR peut être exploitée en dehors du laboratoire pour contrôler le comportement des matériaux sensibles à l'ADN. Nous avons développé une gamme de matériaux avec des capacités très différentes qui mettent en évidence l'étendue des applications permises par les matériaux intelligents programmables sensibles à CRISPR , " a déclaré James Collins, membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute, Doctorat., qui a dirigé l'étude et est un chef de file de la plate-forme Living Cellular Devices de l'Institut. "Ces applications incluent de nouvelles stratégies théranostiques, diagnostic au point de service, et la surveillance régionale des épidémies et des risques environnementaux. » Collins est également professeur à Termeer de génie médical et de sciences et professeur de génie biologique au MIT.

Le système CRISPR-Cas a acquis sa renommée en raison de sa capacité à trouver presque n'importe quelle séquence cible dans le génome à l'aide d'un court ARN-guide complémentaire (ARNg), et pour couper et réparer le double brin d'ADN avec une précision chirurgicale. Dans la présente étude, l'équipe a tiré parti d'une variante de l'enzyme Cas connue sous le nom de Cas12a d'une bactérie Lachnospiraceae qui a la même capacité à reconnaître et à couper des séquences d'ADN spécifiques mais, activé par cet événement, surtout, continue à cliver de manière non spécifique l'ADN simple brin dans son voisinage à un taux d'environ 1250 renouvellements par seconde.

"Nous avons incorporé des séquences d'ADN cibles simple brin dans des matériaux polymères, soit comme ancres pour les cargaisons pendantes, ou en tant qu'éléments structurels qui maintiennent l'intégrité de base des matériaux, et peut contrôler différents comportements matériels en fournissant simplement Cas12a avec un ARNg spécifique comme stimulus, " a déclaré le co-premier auteur Max English, qui est un étudiant diplômé du MIT travaillant avec Collins.

Matériaux réactifs à CRISPR pour la livraison de petites cargaisons Dans une variante de leur concept, les chercheurs ont attaché différentes charges utiles via des séquences d'ancrage d'ADN double brin à un matériau hydrogel dit poly(éthylène glycol). "Les séquences d'ancrage sont ciblées par les enzymes Cas12a voisines en présence d'ARNg complémentaires, et sont ensuite dégradés, " a déclaré la co-première auteur Helena de Puig, Doctorat., chercheur post-doctoral dans l'équipe de Collins. "Par conséquent, nous pouvons libérer des charges utiles telles que des molécules fluorescentes et des enzymes à des taux qui dépendent des affinités relatives des paires d'ARNg/ADN cible, ainsi que des propriétés codées en dur dans les gels, tels que la taille de leurs pores, et les densités des séquences d'ancrage ciblées réticulées au matériau du gel. » Les auteurs pensent que cette approche pourrait être utilisée, par exemple, pour développer des matériaux avec des capacités de diagnostic et pour la surveillance de l'environnement.

Libération stimulée de nanoparticules et de cellules encapsulées

A plus grande échelle, l'équipe a étudié leur approche pour provoquer des changements structurels dans les hydrogels de polyacrylamide (PA) qui encapsulent des nanoparticules et des cellules vivantes. "Ici, nous avons utilisé des séquences cibles Cas12a pour réticuler les brins PA les uns aux autres et ainsi fonctionner comme des éléments structurels. L'élimination des agents de réticulation en déclenchant l'activité Cas12a stimule les changements mécaniques dans toute la matrice de gel, qui a permis la libération de nanoparticules d'or et de cellules primaires humaines, " dit Raphaël Gayet, un autre co-premier auteur et étudiant diplômé du groupe Collins. "Cette approche pourrait être utilisée pour libérer des cellules dans des échafaudages tissulaires."

Les biomatériaux comme fusibles électriques et vannes contrôlables

Sur une autre avenue encore, Collins et son équipe ont conçu des matériaux intelligents sensibles à CRISPR qui peuvent agir comme des fusibles électriques et des vannes contrôlables régulant le passage des fluides. Les chercheurs ont recouvert les électrodes d'un mélange de nanoparticules de noir de carbone, un bon conducteur d'électricité, et des fragments d'ADN simple brin aléatoires, et entouré les électrodes avec une solution contenant Cas12a et un ADN cible double brin spécifique. "Le matériau à lui seul a permis à un courant électrique de passer entre les électrodes. Cependant, lorsque nous avons déclenché la dégradation dépendante de Cas12a de l'ADN intégré, le matériel s'est perturbé et le courant s'est interrompu, " a déclaré le co-auteur Nicolaas Angenent-Mari de l'équipe de Collins.

Dans les dispositifs microfluidiques à base de papier, l'équipe a assemblé une pile de micro-pads pliés qui remplissaient chacun une fonction spécifique. Ils ont pré-réagi un gel PA réticulé d'ADN avec Cas12a en l'absence ou en présence d'un déclencheur d'ADN double brin spécifique à Cas12a et en ont recouvert un coussin central. Cependant, le gel ne s'est formé qu'en l'absence d'ADN déclenchant Cas12a, et lorsqu'il est appliqué sur le tampon, obstrué ses pores. Cela bloquait à son tour l'écoulement d'un tampon transportant des électrolytes du haut vers le bas de l'empilement où se trouvait une électrode. En revanche, la présence d'un ADN déclencheur de Cas12a a empêché la réticulation du gel et a ainsi permis au tampon de circuler et de provoquer un courant à travers l'électrode, agissant essentiellement comme une résistance. « Avec cette approche, nous avons couplé la détection de l'ADN correspondant à l'ARN spécifique du virus ebola avec un signal électrique et même transmettre le signal avec une antenne RFID couplée en temps réel, " a déclaré Luis Soenksen, également co-premier auteur de l'étude.

"Cette étude révolutionnaire de James Collins et de son équipe de la plate-forme Living Cellular Devices du Wyss Institute démontre la valeur de la technologie CRISPR pour des domaines entièrement nouveaux, allant du diagnostic et du théragnostique à la bioélectronique, et marque un autre point d'inflexion inspirant pour les développements biomédicaux permis par cette technologie bioinspirée, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire au HMS, le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard.