Учёные используют CRISPR для связи биологии и электроники

Исследователи из Университета Мэриленда (UMD) разработали новый метод, использующий технологию CRISPR для одновременного электронного включения и выключения нескольких генов. Эта работа, опубликованная в Nature Communications, направлена на создание первых в своём роде микроэлектронных устройств, взаимодействующих с биологическими системами, и может привести к появлению новых носимых и "умных" устройств.

Проблема и цель

Современная микроэлектроника (от кардиостимуляторов до носимых устройств Интернета вещей) обрабатывает информацию с помощью материалов вроде кремния и использует электроны. Однако в биологических системах свободных электронов не существует, что создаёт технологический разрыв между электроникой и биологией.

Научный прорыв

Команда под руководством Уильяма Э. Бентли обнаружила "лазейку": в биологии уже есть молекулы, способные переносить электроны — редокс-молекулы. Учёные создали в бактериальных клетках (E. coli и Salmonella) синтетическую "переключающую" систему, которая:

  1. Распознаёт электроны вместо традиционных молекулярных сигналов.
  2. Интегрирует программируемую генетическую схему CRISPR, модифицированную для работы с белком SoxR (реагирующим на редокс-молекулы в E. coli).

Вместо редактирования генов CRISPR используется для направления клеточного метаболизма на выполнение заданных функций.

Ключевые результаты

  • Учёные электронно запрограммировали повышение (upregulation) и понижение (downregulation) экспрессии конкретных генов.
  • Информация, закодированная электрически, может передаваться между различными штаммами бактерий через общий канал связи — редокс-молекулы.
  • Исследователи пространственно контролировали активность CRISPR с помощью электрических сигналов, создавая химический градиент сигнальной молекулы (пиоцианина). Клетки, подвергнутые воздействию наиболее окисленного пиоцианина, показали наивысшую активность CRISPR.

Значение и перспективы

Эта работа — первая демонстрация использования CRISPR в биоэлектронике для электронного целевого управления генами. Как отметил Бентли, это важный шаг к созданию устройств, способных, например, обнаруживать активный вирус или иммунитет у пользователя в реальном времени. Следующая цель — масштабирование технологии для интеграции локально получаемой биологической информации в устройства следующего поколения.