KONTROLA GENOMA! INTERNET TELA (IoB) – KORIŠĆENJE CRISPR-a ZA ELEKTRIČNO POVEZIVANJE I KONTROLU SPECIFIČNOG GENA

Baš kao i Internet stvari (IoT), IoB se odnosi na pristup i kontrolu ljudskog tela putem interneta. Ovde opisujemo kako se CRISPR može koristiti za električno povezivanje sa genomom i kao dokaz kontrole koncepta prikaza nad transkripcionim informacionim mrežama unutar E. coli i Salmonele.

Tehnologija je odigrala transformativnu ulogu u našim životima i njen uticaj na ljudsko zdravlje se nikada više nije osetio kao u sadašnje vreme globalne pandemije Covid-19. U ovom scenariju, razvoj autonomnih sistema za detekciju i aktiviranje zdravlja, koji se takođe nazivaju sistemi zatvorene petlje koji ‘osećaju’ i ‘deluju’ prema biološkom stanju (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), mogu igrati ključnu ulogu u rešavanju zdravstvenih kriza budućnosti.

Uspešno usvajanje elektronskih zatvorenih sistema ljudskog zdravlja zavisi od razvoja novih metoda biološke aktivacije koje su do sada bile ograničene na vekovnu neuralnu stimulaciju i optogenetiku. Nedavni napredak u oblasti biološke aktivacije potiče iz sintetičke biologije gde su jedna grupa i drugi prijavili genska kola koja reaguju na električne signale sa ekspresijom specifičnog gena od interesa (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al. al., 2020).

U prethodnoj publikaciji, grupa je detaljno opisala bakterijski promoter SoxS baziran na redoksu koji reaguje na specifične elektrohemijske signale koji se mogu generisati preko spoljne elektrode. Koristeći ovaj promoter, specifični transgeni od interesa mogu biti izraženi u bakterijama kao odgovor na programirane električne stimuluse. U ovom radu napravljen je sledeći logičan iskorak za ovu tehnologiju, odnosno korišćenje električnih signala za povezivanje i kontrolu transkripcionih mreža u genomu ćelija (Bhokisham et al., 2020).

Da bi napredovali u potrazi, iskorišćena je CRISPR tehnologija koja obezbeđuje sredstva za ciljanje bilo koje specifične mete u genomu. Konkretno, korišćen je aktivator transkripcije zasnovan na dCas9 za električno aktiviranje i potiskivanje odabranih gena od interesa. Prvo, integrisan je CRISPR sistem sa soxR baziranim elektro responzivnim promoterom, optimizovane različite komponente uključene u CRISPR sistem da bi napravili podesiv i inducibilan sistem.

Na ovaj način, koristeći CRISPR, električno je aktiviran LasI, autoinduktor-1 (AI-1) sintaze što je rezultiralo generisanjem AI-1, medijatora koji oseća kvorum. Kasnije je prenamenjen aktivator CRISPR da istovremeno potisne i odabrane gene. Pošto elektrohemijski stimulansi koji pokreću promoter SoxS takođe indukuju oksidativni stres, bakterijske ćelije aktiviraju unutrašnje odbrambene odgovore na stres da bi umanjile električne stimuluse.

Korišćen je prenamenjeni CRISPR aktivator da potisne aktivaciju odbrane od oksidativnog stresa u E. coli i S. enterica, što je dovelo do poboljšanog izlaza iz promotera koji reaguje na električne stimuluse. Kada se stave u kontekst složenih prostorno-vremenskih gradijenata signala na bioelektronskom interfejsu, ćelije sa potisnutim odbrambenim snagama od oksidativnog stresa pokazale su više usklađene odgovore u odnosu na gradijente spoljašnjeg signala. Ovaj koncept utišavanja određenih elemenata u genomu kako bi se održala bolja kongruencija sa spoljašnjim okruženjem inspirisan je prirodom i nalazi se i u embriogenezi i kvascu (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

Sve u svemu, očekujemo da će električna kontrola transkripcionih mreža u ćelijama pronaći mnoge biotehnološke aplikacije kao što su projektovane probiotičke bakterije koje bi mogle biti programirane da reaguju na električne stimuluse u crevima. Dugoročno, slično načinu na koji se vakcine zasnovane na DNK elektroporišu u ljudsko telo za borbu protiv Covid-19, možemo očekivati da će elektrogenetska promoterska kola biti ubačena u ljudske ćelije kako bi se otvorio novi modalitet bioelektronske signalizacije.

Izvori:

Berényi, A. et al. (2012) „Kontrola epilepsije u zatvorenoj petlji transkranijalnom električnom stimulacijom“, Science, 337(6095), str. 735–737. doi: 10.1126/science.1223154.

Bhokisham, N. et al. „Elektrogenetski CRISPR sistem zasnovan na redoksu za povezivanje i kontrolu bioloških informacionih mreža“, Nature Communications. Nature Publishing Group, 11, 2427 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16249-x

Kovačev, B.P. et al. (2009) „Preklinička ispitivanja In Silico: Dokaz koncepta u kontroli dijabetesa tipa 1 u zatvorenom krugu“, Journal of Diabetes Science and Technology, 3(1), str. 44–55. doi: 10.1177/193229680900300106.

Krawczyk, K. et al. (2020) „Elektrogenetičko ćelijsko oslobađanje insulina za kontrolu glikemije u realnom vremenu kod miševa sa dijabetesom tipa 1“, Science, 368(6494), str. 993–1001. doi: 10.1126/science.aau7187.

Paulsen, M. et al. (2011) „Negativne povratne informacije u sinekspresionoj grupi koštanog morfogenetskog proteina 4 (BMP4) upravljaju njenim dinamičkim opsegom signalizacije i kanalizuju razvoj“, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(25), str. 10202– 10207. doi: 10.1073/pnas.1100179108.

Tschirhart, T. et al. (2017) „Elektronska kontrola ekspresije gena i ponašanja ćelija u Escherichia coli putem redoks signalizacije“, Nature Communications. Nature Publishing Group, 8(1), str. 14030. doi: 10.1038/ncomms14030.

Weber, W. et al. (2008) „Kolo elektro-genetske transkripcije sintetičkog sisara“, Istraživanje nukleinskih kiselina, 37(4), str. e33–e33. doi: 10.1093/nar/gkp014.

Yu, R.C. et al. (2008) „Negativna povratna informacija koja poboljšava prenos informacija u signalizaciji kvasca“, Nature, 456(7223), str. 755–761. doi: 10.1038/nature07513.

Nulta Tačka/BioEngeeniringCommunity