Da gel a sentinelle biologiche grazie a CRISPR / From gel to biological sentinels thanks to CRISPR
Da gel a sentinelle biologiche grazie a CRISPR / From gel to biological sentinels thanks to CRISPR
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
C'è qualcosa che CRISPR non può fare? Gli scienziati hanno sfruttato lo strumento di modificazione genetica per modificare decine di organismi, tracciare lo sviluppo degli animali, rilevare malattie e controllare i parassiti. Ora, hanno trovato un'altra applicazione: usare CRISPR per creare materiali intelligenti che cambiano forma a comando.
Su “Science” del 22 agosto alcuni ricercatori riferiscono che i materiali che cambiano forma potrebbero essere usati per produrre farmaci, e fare da “sentinelle” per quasi tutti i segnali biologici. Lo studio è stato diretto da James Collins, un bioingegnere del Massachusetts Institute of Technology a Cambridge.
Su “Science” del 22 agosto alcuni ricercatori riferiscono che i materiali che cambiano forma potrebbero essere usati per produrre farmaci, e fare da “sentinelle” per quasi tutti i segnali biologici. Lo studio è stato diretto da James Collins, un bioingegnere del Massachusetts Institute of Technology a Cambridge.
Il team di Collins ha lavorato con polimeri riempiti d'acqua tenuti insieme da fili di DNA, detti come idrogel a DNA. Per alterare le proprietà di questi materiali, il gruppo di Collins è ricorso a una forma di CRISPR che per tagliare il DNA usa un enzima chiamato Cas12a. (Per tagliare una sequenza di DNA nel punto desiderato, CRISPR-Cas9 usa invece l'enzima Cas9). Cas12a può essere programmato per riconoscere una specifica sequenza di DNA: l'enzima taglia il filamento di DNA nel punto bersaglio, e quindi singoli filamenti di DNA nelle sue vicinanze.
Questa proprietà ha permesso ai ricercatori di costruire una serie di idrogel controllati da CRISPR contenenti una sequenza di DNA bersaglio e singoli filamenti di DNA, che si rompono dopo che Cas12a ha riconosciuto la sequenza bersaglio in un certo stimolo. La rottura dei singoli filamenti di DNA innesca il cambiamento di forma degli idrogel o, in alcuni casi, il loro dissolvimento, con il conseguente rilascio rilascio di un carico utile.
Il gruppo ha creato idrogel programmati per rilasciare enzimi, farmaci e perfino cellule umane in risposta a specifici stimoli, per esempio come parte di una terapia. Collins spera che i gel possano essere usati per realizzare terapie intelligenti che rilascino, per esempio, farmaci antitumorali in presenza di un tumore, o antibiotici nel sito di un'infezione.
Obiettivi intelligenti
I ricercatori hanno anche integrato gli idrogel controllati da CRISPR in circuiti elettronici. In un approccio, li hanno inseriti all'interno di un piccolo dispositivo simile a un chip chiamato camera microfluidica, collegato a un circuito elettronico. Il circuito si è spento in risposta all'individuazione di materiale genetico proveniente da agenti patogeni come il virus Ebola e lo Staphylococcus aureus meticillino-resistente (MRSA).
Questa proprietà ha permesso ai ricercatori di costruire una serie di idrogel controllati da CRISPR contenenti una sequenza di DNA bersaglio e singoli filamenti di DNA, che si rompono dopo che Cas12a ha riconosciuto la sequenza bersaglio in un certo stimolo. La rottura dei singoli filamenti di DNA innesca il cambiamento di forma degli idrogel o, in alcuni casi, il loro dissolvimento, con il conseguente rilascio rilascio di un carico utile.
Il gruppo ha creato idrogel programmati per rilasciare enzimi, farmaci e perfino cellule umane in risposta a specifici stimoli, per esempio come parte di una terapia. Collins spera che i gel possano essere usati per realizzare terapie intelligenti che rilascino, per esempio, farmaci antitumorali in presenza di un tumore, o antibiotici nel sito di un'infezione.
Obiettivi intelligenti
I ricercatori hanno anche integrato gli idrogel controllati da CRISPR in circuiti elettronici. In un approccio, li hanno inseriti all'interno di un piccolo dispositivo simile a un chip chiamato camera microfluidica, collegato a un circuito elettronico. Il circuito si è spento in risposta all'individuazione di materiale genetico proveniente da agenti patogeni come il virus Ebola e lo Staphylococcus aureus meticillino-resistente (MRSA).
Il gruppo ha usato gli idrogel anche per sviluppare un prototipo di strumento
diagnostico in grado di inviare un segnale wireless quando riconosce materiale
genetico di Ebola in campioni di laboratorio. Quando un membro del team ha portato un rilevatore wireless in uno zaino è stato in grado di identificare i campioni positivi semplicemente passando davanti a loro.
Dan Luo, bioingegnere alla Cornell University a Ithaca, nello stato di New York, dice che gli idrogel CRISPR rappresentano un miglioramento rispetto ad altri idrogel reattivi perché permettono agli scienziati di determinare con grande facilità che cosa provoca un cambiamento nel materiale. Nei tentativi precedenti di creare idrogel intelligenti erano stati usati enzimi che non tagliavano specifiche sequenze di DNA o ne tagliavano solo un piccolo numero, limitandone l'adattabilità.
"Oggi siamo nell'era di CRISPR", dice Collins. "Ha preso il controllo della biologia e della biotecnologia. Abbiamo dimostrato che può fare incursioni nel campo dei materiali e dei biomateriali."
Dan Luo, bioingegnere alla Cornell University a Ithaca, nello stato di New York, dice che gli idrogel CRISPR rappresentano un miglioramento rispetto ad altri idrogel reattivi perché permettono agli scienziati di determinare con grande facilità che cosa provoca un cambiamento nel materiale. Nei tentativi precedenti di creare idrogel intelligenti erano stati usati enzimi che non tagliavano specifiche sequenze di DNA o ne tagliavano solo un piccolo numero, limitandone l'adattabilità.
"Oggi siamo nell'era di CRISPR", dice Collins. "Ha preso il controllo della biologia e della biotecnologia. Abbiamo dimostrato che può fare incursioni nel campo dei materiali e dei biomateriali."
ENGLISH
Is there anything CRISPR can't do? Scientists have used the genetic modification tool to modify dozens of organisms, track animal development, detect disease and control pests. Now, they have found another application: using CRISPR to create intelligent materials that change shape on command.
In "Science" on August 22nd, some researchers report that form-changing materials could be used to produce drugs, and act as "sentinels" for almost all biological signals. The study was directed by James Collins, a bioengineer at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
Collins' team worked with water-filled polymers held together by strands of DNA, referred to as DNA hydrogels. To alter the properties of these materials, Collins' group resorted to a form of CRISPR which uses an enzyme called Cas12a to cut the DNA. (To cut a DNA sequence at the desired point, CRISPR-Cas9 uses the Cas9 enzyme instead). Cas12a can be programmed to recognize a specific DNA sequence: the enzyme cuts the DNA strand at the target point, and then individual strands of DNA in its vicinity.
This property allowed the researchers to build a series of hydrogels controlled by CRISPR containing a sequence of target DNA and single strands of DNA, which break down after Cas12a recognized the target sequence in a certain stimulus. The breaking of single strands of DNA triggers the change in shape of the hydrogels or, in some cases, their dissolution, with the consequent release of a useful load release.
The group created hydrogels programmed to release enzymes, drugs and even human cells in response to specific stimuli, for example as part of a therapy. Collins hopes the gels can be used to make smart therapies that release, for example, cancer drugs in the presence of a tumor, or antibiotics at the site of an infection.
Smart goals
Researchers also integrated CRISPR-controlled hydrogels into electronic circuits. In one approach, they inserted them into a small device similar to a chip called a microfluidic chamber, connected to an electronic circuit. The circuit died down in response to the detection of genetic material from pathogens such as the Ebola virus and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA).
The group also used hydrogels to develop an instrument prototype
diagnostic capable of sending a wireless signal when it recognizes material
genetics of Ebola in laboratory samples. When a team member brought a wireless detector into a backpack he was able to identify positive samples by simply passing in front of them.
Dan Luo, bioengineer at Cornell University in Ithaca, New York, says that CRISPR hydrogels represent an improvement over other reactive hydrogels because they allow scientists to very easily determine what causes a change in the material. Previous attempts to create intelligent hydrogels had been used enzymes that did not cut specific DNA sequences or cut only a small number, limiting their adaptability.
"Today we are in the CRISPR era," says Collins. "He took control of biology and biotechnology. We have shown that he can make inroads into the field of materials and biomaterials."
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