《科學》:CRISPR竟然還有新功能!

現在還有什麼CRISPR不能做的嗎？

這是近期《自然》雜誌上刊發的一篇評論裡開頭的一句話，也是我現在的心情。

我們知道，CRISPR是一種（超）好用的基因編輯工具，除了給基因序列修修補補、幫助治療疾病，它還能追蹤動物的發育過程，快速檢測和診斷疾病，改良農作物，控制蚊子防瘧疾……如今，CRISPR又向一個新領域下手了。

智能生物材料！

圖源 | pixabay

這種新型的智能材料由水凝膠、單鏈DNA和CRISPR-Cas12a組成。當遇到目標DNA序列，Cas酶就會切斷材料內的DNA，使凝膠的特性發生變化——比如說形狀、硬度的變化，又或者是導電性、酸鹼性的變化。

那這個材料能幹的事情就太多了~下可做載體靶向腫瘤DNA釋放藥物，上可聯合其他平臺做病原體檢測，研究者還開發出了當「保險絲」的用法，可以說只有你想不到沒有做不到~開發出這個大腦洞產品的是MIT的James Collins團隊，論文發表在《科學》上[1]。

甚至可以用來包裝細胞

能夠響應外部環境變化的材料並不罕見，我們上學的時候就應該從物理課本上了解過光敏開關的原理。除了光之外，聲、溫度、電磁場、PH值都是已經廣泛投入使用的可變材料響應元素。

如果把應用限制在生物、醫療領域，那麼很顯然，這些響應元素就不是最優解了。對生物體來說，更敏感更具體的標誌物是啥？大分子啊，蛋白啊，DNA啊！

DNA是科學家們很關注的原材料。DNA本身是高特異性的，能讓材料的變化更有針對性；同時，DNA也能夠作為凝膠的一部分，與各種高聚物交聯生成能夠使用的材料。

讓這種DNA交聯材料產生變化，就得通過一些外部方法，比如說DNA置換，比如說酶促反應，總之都是一些很依靠「量」的手段。問題來了，想保證整個兒系統快速敏感，那第一靶向的DNA濃度不能太低，第二換個靶向序列整個兒系統恐怕都得重新設計。

實用性Emmmm……

這個依賴CRISPR的材料智能之處就在這裡了。

這項研究中使用到的是CRISPR-Cas12a。Cas12a和我們最熟悉的Cas9有兩點不同。一，Cas12a對靶向序列的識別方法不一樣，要更精準、錯誤率更低；二，Cas12a在識別、切割所靶向的雙鏈DNA之後，還會隨機切割附近的單鏈DNA。

Cas12a還會隨機切割附近的單鏈DNA

用在這個智能材料裡呢，當遇到靶DNA，材料中的Cas12a就會開始工作把單鏈DNA切斷，材料原本的特性就變化啦！

CRISPR可不是個嚴密的定量反應，它能切一個就能切一百個。根據研究者的測算數據，CRISPR-Cas12a系統每秒的工作次數能夠達到1250次。

啥意思呢？只要外面有一丟丟靶DNA激活了CRISPR-Cas12a系統，它就能勤勤懇懇地開始工作了。這就相當於一個信號放大器，很少的DNA就能得到可檢測的材料變化。

而且我們知道的，CRISPR識別靶DNA主要靠一條嚮導RNA，更換不同的嚮導RNA，這套智能材料就可以用在任何我們想用的地方。

是不是簡單方便好神奇！

在論文中，研究者提出了四種可能的用法。

第一種，做載體。

以聚乙二醇（PEG）為基質，遇靶DNA釋放單鏈DNA交聯的物質。

第二種，做包裝。

以聚丙烯醯胺（PA）為基質，遇靶DNA整個兒凝膠裂解，釋放內容物。這裡面能包裹的東西就多了，小分子藥物、細胞因子等生物大分子甚至細胞都有可能。

第三種，做電開關。

這種材料裡面交聯了導電炭黑（CB），通過切斷單鏈DNA改變材料的導電性。這就是個感應DNA的保險絲啊。

第四種，聯合微流體設備快速檢測病毒。

這種材料作為微流體設備種的填充物，隨靶DNA改變滲透性，可以檢測微量的病毒DNA。在實際使用中，和其他基於CRISPR的檢測技術靈敏度基本一樣。

能檢測到的病毒量相當低

感覺這個智能材料的應用還遠遠不止這些呢。考慮好生物相容性和定量問題，拿來做生理指標體內監測不覺得也是個好主意嗎？更換不同的Cas酶，識別更多的生物大分子，應用還可以更廣~

果然想像力才是第一科學生產力啊~你有啥腦洞，留言區分享下？

編輯神叨叨

科學超有趣！

參考資料：

[1]https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780/tab-article-info

[3]https://science.sciencemag.org/content/365/6455/754

本文作者 | 代絲雨