Способность популярной технологии редактирования генома CRISPR/Cas разрезать нити ДНК использовали для контроля над перемещениями шариков гидрогеля, которые находились в сети из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты. При изменении конфигурации сетей, вызванном действием CRISPR, менялось и положение шариков. В будущем CRISPR-управляемые гидрогели можно будет использовать для прицельного высвобождения лекарств и удаленного запуска различных других процессов, говорится в статье, опубликованной в Science.
Белки Cas и короткие палиндромные повторы в ДНК, с которыми эти белки связываются, впервые обнаружили у бактерий в 1987 году, а вскорости их открыли и у архей. Выяснилось, что Cas способны разрезать одно- и двухцепочечные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты в определенных местах. Это взяли на вооружение американские и французские биологи во главе с Дженнифер Дудной и попробовали сами назначать CRISPR/Cas мишени для создания разрывов в ДНК. Технологию дорабатывали, испытывали в клетках прокариот и разнообразных эукариот: грибов, животных, растений. Теперь с помощью CRISPR/Cas можно редактировать и РНК, а для конкретной цели подбирают свой белок Cas (впрочем, чаще всего это Cas9).
Джеймс Коллинс (James Collins) и его коллеги из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета пошли дальше и применили способность CRISPR/Cas разрезать молекулы нуклеиновых кислот для работы неживых систем. Они ввели систему с белком Cas12a в ДНК-гидрогель — систему полимерных шариков, образующих в воде коллоидный раствор и разделенных нитями ДНК. Между этими нитями образовывались одноцепочечные мостики, и задача CRISPR/Cas заключалась в том, чтобы разрезать их.
Разрезание одноцепочечной ДНК меняло структуру гидрогеля: уцелевшие двухцепочечные нити смещались и сеть, которая держит шарики, распадалась, после чего они могли свободно перемещаться. Контролируемое изменение свойств гидрогеля можно использовать для адресной доставки различных молекул и клеток: высвобождать их там, где это необходимо, в нужный момент. В одной серии экспериментов ДНК-гидрогель и CRISPR/Cas поместили в микрофлюидную камеру. Когда через эту камеру проходил генетический золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus), устойчивый к метициллину, или вирус лихорадки Эбола, это «замечал» белок Cas12a, состояние гидрогеля менялось и система тем самым подавала сигнал о присутствии чужеродной ДНК.
Исследователи тестировали несколько видов гидрогеля с разными частицами: из полиакриламида, полиэтиленгликоля и технического углерода. Какие-то из них больше подходят для применения в биоэлектронике, так как проводят электричество, какие-то — для высвобождения лекарств, поскольку способны разлагаться. Также вместо полимеров можно использовать живые клетки.
Дэн Луо (Dan Luo), биоинженер из Корнелльского университета, который не принимал участия в исследовании, отмечает, что раньше ДНК-гидрогелями не получалось управлять с помощью ферментов: они либо разрезали слишком мало молекул, либо производили надрезы в незапланированных местах. Поэтому создание системы с использованием CRISPR/Cas в данном случае — значительный шаг вперед.
CRISPR уже не первый раз пробуют соединять с различными специализированными материалами. Если в нынешнем исследовании предлагается использовать систему для доставки лекарств, клеток, наночастиц и тому подобного, то годом ранее ее саму транспортировали в желаемые органы — головной мозг и печень — с помощью наночастиц из золота и оксида железа соответственно.
Светлана Ястребова