Internet der Körper: Mit CRISPR das Genom elektrisch verbinden und kontrollieren

Genau wie das Internet der Dinge (IoT) bezieht sich IoB auf den Zugriff und die Kontrolle des menschlichen Körpers über das Internet. Hier beschreiben wir, wie CRISPR verwendet werden kann, um sich elektrisch mit dem Genom zu verbinden und als Proof of Concept die Kontrolle über transkriptionale Informationsnetzwerke in E. coli und Salmonellen anzuzeigen.

Technologie hat eine transformative Rolle in unserem Leben gespielt und ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sind nie stärker zu spüren als in den aktuellen Zeiten der globalen Covid-19-Pandemie.

In diesem Szenario ist die Entwicklung von autonomen Gesundheitserfassungs- und Betätigungssystemen, auch als Closed-Loop-Systeme bezeichnet, die einen biologischen Zustand „fühlen“ und „handeln“ (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012) kann eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der Gesundheitskrisen der Zukunft spielen. Die erfolgreiche Einführung elektronischer Gesundheitssysteme mit geschlossenem Kreislauf hängt von der Entwicklung neuer Methoden zur biologischen Betätigung ab, die bisher auf die jahrhundertealte neuronale Stimulation und Optogenetik beschränkt waren.

Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der biologischen Aktuierung stammen aus der synthetischen Biologie, wo unsere Gruppe und andere über Genschaltkreise berichtet haben, die auf elektrische Signale mit der Expression spezifischer interessierender Gene reagieren (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). In einer früheren Veröffentlichung hatte unsere Gruppe einen Redox-basierten bakteriellen Promotor SoxS beschrieben, der auf spezifische elektrochemische Signale reagiert, die über eine externe Elektrode erzeugt werden können.

Unter Verwendung dieses Promotors können spezifische Transgene von Interesse in Bakterien als Reaktion auf programmierte elektrische Reize exprimiert werden. In dieser Arbeit haben wir den nächsten logischen Sprung für diese Technologie gemacht, nämlich elektrische Signale zu verwenden, um transkriptionale Netzwerke im Genom der Zellen zu verbinden und zu kontrollieren (Bhokishamet al., 2020).

Um unser Streben zu unterstützen, haben wir die CRISPR-Technologie genutzt, die die Möglichkeit bietet, jedes spezifische Ziel im Genom anzuvisieren. Insbesondere verwendeten wir den dCas9-basierten Transkriptionsaktivator, um ausgewählte Gene von Interesse elektrisch zu aktivieren und zu unterdrücken.

Erstens haben wir das CRISPR-System mit dem SoxR-basierten elektroresponsiven Promotor integriert und verschiedene Komponenten des CRISPR-Systems optimiert, um ein abstimmbares und induzierbares System zu schaffen. Auf diese Weise aktivierten wir mit CRISPR LasI, eine Autoinducer-1 (AI-1)-Synthase, elektrisch, was zur Bildung von AI-1, einem Quorum Sensing Mediator, führte (Abb. 2 und 3).

Später haben wir den CRISPR-Aktivator umfunktioniert, um gleichzeitig auch ausgewählte Gene zu unterdrücken. Da die elektrochemischen Reize, die den SoxS-Promotor antreiben, auch oxidativen Stress induzieren, aktivieren Bakterienzellen intrinsische Stressabwehrreaktionen, um die elektrischen Reize abzuschwächen. Wir haben den umfunktionierten CRISPR-Aktivator verwendet, um die Aktivierung der Abwehrkräfte gegen oxidativen Stress zu unterdrücken E. coli und S. enterica, was zu einer erhöhten Ausgabe des auf elektrische Stimuli ansprechenden Promotors führt ( 4 ).

Im Kontext der komplexen räumlich-zeitlichen Signalgradienten an der bioelektronischen Grenzfläche zeigten Zellen mit unterdrückter oxidativer Stressabwehr mehr ausgerichtete Reaktionen in Bezug auf die externen Signalgradienten (Abb. 5).

Dieses Konzept, bestimmte Elemente im Genom zum Schweigen zu bringen, um eine bessere Übereinstimmung mit der äußeren Umgebung zu gewährleisten, ist von der Natur inspiriert und findet sich auch in der Embryogenese und Hefe (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

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