Internet of Bodies: utilizzo di CRISPR per connettere e controllare elettricamente il genoma

Proprio come Internet of Things (IoT), IoB si riferisce all'accesso e al controllo del corpo umano tramite Internet. Qui, descriviamo in dettaglio come CRISPR può essere utilizzato per connettersi elettricamente con il genoma e come controllo del display di prova del concetto sulle reti informative trascrizionali all'interno di E. coli e Salmonella.

La tecnologia ha svolto un ruolo trasformativo nelle nostre vite e il suo impatto sulla salute umana non si fa mai sentire più che nei tempi attuali della pandemia globale di Covid-19.

In questo scenario, lo sviluppo di sistemi autonomi di rilevamento e attuazione della salute, detti anche sistemi a circuito chiuso che "sentono" e "agiscono" verso una condizione biologica (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), possono svolgere un ruolo fondamentale nell'affrontare le crisi sanitarie del futuro. Il successo dell'adozione di sistemi sanitari umani elettronici a circuito chiuso dipende dallo sviluppo di nuovi metodi per l'attuazione biologica che è stato finora limitato alla stimolazione neurale e all'optogenetica secolari.

I recenti progressi nel campo dell'attuazione biologica derivano dalla biologia sintetica in cui il nostro gruppo e altri hanno riportato circuiti genici che rispondono a segnali elettrici con l'espressione di specifici geni di interesse (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). In una precedente pubblicazione, il nostro gruppo aveva dettagliato un promotore batterico a base di ossidoriduzione SoxS che risponde a specifici segnali elettrochimici che possono essere generati tramite un elettrodo esterno.

Utilizzando questo promotore, specifici transgeni di interesse possono essere espressi nei batteri in risposta a stimoli elettrici programmati. In questo lavoro, abbiamo compiuto il salto logico successivo per questa tecnologia, ovvero l'utilizzo di segnali elettrici per connettere e controllare le reti trascrizionali nel genoma delle cellule (Bhokisham et al., 2020).

Per aiutarci nella nostra ricerca, abbiamo sfruttato la tecnologia CRISPR che fornisce i mezzi per colpire qualsiasi bersaglio specifico nel genoma. Nello specifico, abbiamo utilizzato l'attivatore trascrizionale basato su dCas9 per attivare e reprimere elettricamente determinati geni di interesse.

In primo luogo, abbiamo integrato il sistema CRISPR con il promotore elettroreattivo basato su SoxR, ottimizzato i vari componenti coinvolti nel sistema CRISPR per creare un sistema sintonizzabile e inducibile. In questo modo, utilizzando CRISPR abbiamo attivato elettricamente LasI, un autoinduttore-1 (AI-1) sintasi con conseguente generazione di AI-1, un mediatore del quorum sensing (Fig. 2 e 3).

Successivamente, abbiamo riproposto l'attivatore CRISPR per reprimere simultaneamente anche geni selezionati. Poiché gli stimoli elettrochimici che guidano il promotore SoxS inducono anche stress ossidativo, le cellule batteriche attivano risposte intrinseche di difesa dallo stress per attenuare gli stimoli elettrici. Abbiamo utilizzato l'attivatore CRISPR riproposto per reprimere l'attivazione delle difese da stress ossidativo in E. coli e S. enterica, portando così a una maggiore uscita dal promotore reattivo agli stimoli elettrici (Fig 4).

Quando collocate nel contesto dei complessi gradienti di segnale spazio-temporali all'interfaccia bioelettronica, le cellule con difese da stress ossidativo represso hanno mostrato risposte più allineate in relazione ai gradienti di segnale esterni (Fig. 5).

Questo concetto di silenziare alcuni elementi nel genoma al fine di mantenere una migliore congruenza con gli ambienti esterni è ispirato dalla natura e si trova anche nell'embriogenesi e nel lievito (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

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