Система CRISPR-Cas, о свойствах которой стало известно в начале XXI века, используется для направленного редактирования геномов и способна принести немало пользы. Развитие технологии может принести человечеству, в частности, избавление от генетических заболеваний. И обилие вкусной ГМО-еды. Специалисты двух американских институтов — Массачусетского технологического (MIT, Massachusetts Institute of Technology) и входящего в структуру Гарварда Института биологической инженерии Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) предложили ещё одну роль для CRISPR — быть элементом управления в новом типе «умных» материалов. При воздействии специфических, определённых задачей, факторов CRISPR-Cas может давать различным смарт-материалам сигнал к выделению химически связанных веществ, таких как флуоресцентные красители или активные ферменты. По сигналу можно будет изменять структуру материала и освобождать инкапсулированные наночастицы.
Статья о перспективной разработке опубликована в журнале Science.
Система CRISPR-Cas способна находить практически любую целевую последовательность в геноме с помощью гидовой РНК (гРНК, gRNA), а также вырезать и восстанавливать двойную нить ДНК с хирургической точностью. Исследователи использовали один из вариантов фермента Cas — Cas12a — характерный для бактерии Lachnospiraceae, который обладает способностью распознавать и разрезать определённые последовательности ДНК, но, что особенно важно в рамках поставленной задачи, не останавливается на этом, и, начав работу, неспецифически расщепляет одноцепочечную ДНК с большой скоростью.
CRISPR-отзывчивые материалы для доставки небольших грузов — одна из вариаций концепции. Исследователи прикрепляли различные полезные нагрузки с помощью двухцепочечных якорных последовательностей ДНК к гидрогелю.
На якорные последовательности нацелены близлежащие ферменты Cas12a, и в присутствии комплементарных гРНК эти последовательности разрушаются. В результате освобождается полезная нагрузка — флуоресцентные молекулы или ферменты. Скорость процесса зависит от относительного сродства пар гРНК / целевой ДНК, а также свойств геля — размеров пор и плотности целевых якорных последовательностей, перекрёстно связанных с материалом геля.
Авторы уверены, что метод может быть использован, например, для разработки материалов с диагностическими возможностями и для экологического мониторинга.
Была проверена возможность программировать структурные изменения в полиакриламидных гидрогелях, которые удерживали наночастицы или живые клетки. Исследователи использовали ДНК-последовательности для перекрёстной связи полиакриламидных нитей друг с другом, строя таким образом структурные элементы. Удаление этих связей в результате активности Cas12a приводит к механическим изменениям во всей гелевой матрице и освобождению нагрузки.
Спроектированы и прототипы CRISPR-отзывчивых материалов, которые могут действовать как электрические размыкатели и клапаны для жидкостей.