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研究人员利用CRISPR技术连接生物学和电子学

为了创造与生物系统相连的微电子设备,马里兰大学(UMD)的研究人员正在以一种新颖的方式利用CRISPR技术,以电子方式同时“开启”和“关闭”多个基因。他们的技术发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,有可能进一步弥合电子和生物世界之间的鸿沟,为新的可穿戴和“智能”设备铺平道路。

“面对COVID-19大流行,我们现在有了一个更深的了解“智能”设备可以造福大众,”威廉·e·本特利说UMD格式的费舍尔教授生物工程和生物科学和生物技术研究所(IBBR)和生物医学研究所的主任罗伯特·e·费舍尔设备。“想象一下,如果我们可以戴上一个设备,访问智能手机上的一个应用程序,这个应用程序能够检测穿戴者是否感染了活跃病毒,是否产生了免疫力,或者是否未被感染,世界将会变成什么样子。”我们还没有做到这一点,但我们越来越清楚地认识到,要实现这一点,需要一系列能够在生物学和电子学之间实现信息快速传输的技术。”

本特利说,有了这样的设备,这些信息就可以用来动态地、自主地进行有效的接触追踪。

在过去的60年里,微电子已经从第一个植入式起搏器发展到利用相关计算设备——更广为人知的是物联网——的能力的个人可穿戴设备。下一波微电子技术的浪潮可能包括利用和控制分子(如葡萄糖、激素或dna)来改善人类健康的设备。但是,一个主要的障碍仍然存在。

尽管目前的智能设备可能非常先进,但今天的微电子设备使用硅、金或化学物质等材料以及提供电子的能源来处理信息。但是,在生物系统中不存在自由电子。因此,在微电子学和生物世界之间仍然存在着技术差距。

两年多以前,本特利和他的同事,费斯彻研究所的格雷戈里F。佩恩和他们的团队就他们发现的漏洞发表了研究。

在生物系统中,已经存在一类能够使电子穿梭的分子。这些分子,被称为“氧化还原”分子,可以将电子转移到任何位置。要做到这一点,氧化还原分子必须首先经历一系列的化学反应——氧化或还原反应——以将电子传送到预定的目标。

本特利的研究小组利用合成生物学的成分对细胞进行工程改造,在细菌细胞中创造了一个复杂的合成“开关”系统,该系统识别电子而不是更传统的分子信号,并整合了CRISPR的生物可编程遗传电路。以基因编辑著称的CRISPR控制功能被修改为与SoxR协同工作,SoxR是一种调节蛋白,对氧化还原分子有反应,存在于大肠杆菌中。该团队不是编辑基因,而是使用CRISPR聚焦细胞的代谢机制,以实现所需的功能。

该小组的过程包括所谓的下调和上调,即细胞对外界刺激的反应是减少(下调)或增加(上调)某一特定成分(如蛋白质)的数量。研究小组成功地证明,使用CRISPR技术,他们可以用电来控制E基因的上调和下调。大肠杆菌和沙门氏菌。通过这种方式,研究小组证明了电子编程的信息可以通过相同的氧化还原介质作为交流通道,在许多菌株内传递。

更重要的是,该集团创造并应用了CRISPR技术,以利用电子和电信领域的信号处理能力。他们将细胞固定在凝胶中,并利用电子信号创造出清晰的化学梯度,这些化学梯度是由crispr控制的细胞外信号。他们发现,暴露于氧化程度最高的py青苷(一种能够参与氧化还原反应的代谢物)的细胞表现出最高水平的CRISPR活性,而暴露于最低程度氧化程度的py青苷的细胞表现出最低水平的CRISPR活性。在此过程中,该团队有效地支持了他们的假设,即电信号可以用于空间控制CRISPR。

虽然CRISPR被普遍认为是一种灵活的生物学工具,但这项工作首次展示了如何在生物电子学中使用CRISPR,同时对选定的基因进行电子定位和控制。

本特利说:“我们的下一步计划是加大生物电子学的研究力度,使下一代通讯设备能够真正整合本地获取的生物信息。”

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