Internet of Bodies: CRISPR gebruiken om het genoom elektrisch te verbinden en te controleren

Net als Internet of Things (IoT) verwijst IoB naar toegang tot en controle over het menselijk lichaam via internet. Hier beschrijven we hoe CRISPR kan worden gebruikt om elektrisch te verbinden met het genoom en als een proof of concept weergavecontrole over transcriptionele informatienetwerken binnen E. coli en Salmonella.

Technologie heeft een transformerende rol gespeeld in ons leven en de impact ervan op de menselijke gezondheid is nooit meer gevoeld dan in de huidige tijd van de wereldwijde pandemie van Covid-19.

In dit scenario wordt de ontwikkeling van autonome systemen voor het detecteren en activeren van de gezondheid, ook wel gesloten-lussystemen genoemd die een biologische toestand 'voelen' en 'handelen' (Kovatchev et al., 2009; Berenyi et al., 2012), kan een cruciale rol spelen bij het aanpakken van gezondheidscrises van de toekomst. Succesvolle adoptie van elektronische gesloten kringloopsystemen voor de menselijke gezondheid is afhankelijk van de ontwikkeling van nieuwe methoden voor biologische activering die tot nu toe beperkt zijn gebleven tot de eeuwenoude neurale stimulatie en optogenetica.

Recente ontwikkelingen op het gebied van biologische activering komen voort uit synthetische biologie, waar onze groep en anderen gencircuits hebben gerapporteerd die reageren op elektrische signalen met expressie van specifieke gen van interesse (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). In een eerdere publicatie had onze groep een op redox gebaseerde bacteriële promotor SoxS beschreven die reageert op specifieke elektrochemische signalen die kunnen worden gegenereerd via een externe elektrode.

Met behulp van deze promotor kunnen specifieke transgenen van belang in bacteriën tot expressie worden gebracht als reactie op geprogrammeerde elektrische stimuli. In dit werk hebben we de volgende logische stap gezet voor deze technologie, namelijk het gebruik van elektrische signalen om transcriptionele netwerken in het genoom van de cellen te verbinden en te controleren (Bhokisham et al., 2020).

Om ons te helpen bij ons streven, hebben we de CRISPR-technologie gebruikt die de middelen biedt om elk specifiek doelwit in het genoom aan te pakken. In het bijzonder hebben we de op dCas9 gebaseerde transcriptionele activator gebruikt om geselecteerde genen van interesse elektrisch te activeren en te onderdrukken.

Ten eerste hebben we het CRISPR-systeem geïntegreerd met de op SoxR gebaseerde elektro-responsieve promotor, verschillende componenten die betrokken zijn bij het CRISPR-systeem geoptimaliseerd om een ​​afstembaar en induceerbaar systeem te maken. Op deze manier hebben we met behulp van CRISPR LasI, een autoinducer-1 (AI-1) synthase elektrisch geactiveerd, wat resulteerde in het genereren van AI-1, een quorum sensing mediator (Fig. 2 en 3).

Later hebben we de CRISPR-activator hergebruikt om tegelijkertijd ook geselecteerde genen te onderdrukken. Omdat de elektrochemische stimuli die de SoxS-promoter aansturen ook oxidatieve stress induceren, activeren bacteriële cellen intrinsieke stressverdedigingsreacties om de elektrische stimuli te verzwakken. We gebruikten de hergebruikte CRISPR-activator om de activering van oxidatieve stress-afweer te onderdrukken in E. coli en S. enterica, wat leidt tot een verhoogde output van de op elektrische stimuli reagerende promotor (figuur 4).

Wanneer ze in de context van de complexe spatio-temporele signaalgradiënten op de bio-elektronische interface werden geplaatst, vertoonden cellen met onderdrukte oxidatieve stressafweer meer uitgelijnde reacties in relatie tot de externe signaalgradiënten (Fig. 5).

Dit concept om bepaalde elementen in het genoom tot zwijgen te brengen om een ​​betere congruentie met externe omgevingen te behouden, is geïnspireerd op de natuur en wordt ook gevonden in embryogenese en gist (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

Lees hier het hele verhaal ...