Internet Of Bodies: Använda CRISPR för att elektriskt ansluta och kontrollera genomet

Precis som Internet of Things (IoT) hänvisar IoB till åtkomst och kontroll av människokroppen via internet. Här beskriver vi hur CRISPR kan användas för att elektriskt ansluta till genomet och som ett bevis på konceptet visar kontroll över transkriptionella informationsnätverk inuti E. coli och Salmonella.

Tekniken har spelat en omvälvande roll i våra liv och dess inverkan på människors hälsa märks aldrig mer än i de nuvarande tiderna av den globala covid-19-pandemin.

I detta scenario utvecklas autonoma hälsoavkännings- och aktiveringssystem, även kallade slutna system som "känner" och "agerar" mot ett biologiskt tillstånd (Kovatchev et al.2009; Berényi et al., 2012), kan spela en avgörande roll för att hantera framtidens hälsokriser. Framgångsrik användning av elektroniska slutna kretslopp för mänskliga hälsosystem är beroende av utvecklingen av nya metoder för biologisk aktivering som hittills har begränsats till sekelgamla neural stimulering och optogenetik.

Nya framsteg inom området biologisk aktivering härrör från syntetisk biologi där vår grupp och andra har rapporterat genkretsar som svarar på elektriska signaler med uttryck av specifika gen av intresse (Weber et al.2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). I en tidigare publikation hade vår grupp detaljerat en redox-baserad bakteriell promotor SoxS som svarar på specifika elektrokemiska signaler som kan genereras via en extern elektrod.

Med användning av denna promotor kan specifika transgener av intresse uttryckas i bakterier som svar på programmerade elektriska stimuli. I detta arbete har vi tagit nästa logiska steg för denna teknik, det vill säga att använda elektriska signaler för att ansluta och kontrollera transkriptionsnätverk i cellernas arvsmassa (Bhokisham et al., 2020).

För att hjälpa till i vår strävan utnyttjade vi CRISPR-teknologin som ger möjlighet att rikta in sig på ett specifikt mål i genomet. Specifikt använde vi den dCas9-baserade transkriptionsaktivatorn för att elektriskt aktivera och undertrycka utvalda gener av intresse.

För det första integrerade vi CRISPR-systemet med den SoxR-baserade elektroresponsiva promotorn, optimerade olika komponenter involverade i CRISPR-systemet för att göra ett avstämbart och inducerbart system. På detta sätt, med hjälp av CRISPR, aktiverade vi elektriskt LasI, en autoinducer-1 (AI-1) syntas som resulterade i generering av AI-1, en kvorumavkännande mediator (fig. 2 och 3).

Senare använde vi CRISPR-aktivatorn för att samtidigt undertrycka utvalda gener också. Eftersom de elektrokemiska stimuli som driver SoxS-promotorn också inducerar oxidativ stress, aktiverar bakterieceller inre stressförsvarssvar för att dämpa de elektriska stimuli. Vi använde den återanvända CRISPR-aktivatorn för att undertrycka aktiveringen av oxidativ stressförsvar i E. E. coli och S. entericavilket leder till ökad uteffekt från den elektriska stimuli-responsiva promotorn (fig 4).

När de placeras i sammanhanget med de komplexa spatio-temporala signalgradienterna vid det bioelektroniska gränssnittet, visade celler med undertryckta oxidativ stressförsvar mer anpassade svar i förhållande till de externa signalgradienterna (Fig. 5).

Detta koncept med att tysta vissa element i genomet för att bibehålla bättre överensstämmelse med yttre miljöer är naturinspirerat och finns även i embryogenes och jäst (Yu et al.2008; Paulsen et al., 2011).

Läs hela historien här ...