利用CRISPR技术串联生物学和电子学

2020年5月15日Nature Communication报道，美国马里兰大学巴尔的摩分校的研究人员以一种新颖的方式利用 CRISPR技术，用电子的方式打开和关闭基因，进一步缩小电子世界和生物世界之间的差距，为新的可穿戴和“智能”设备铺平道路。

过去60年，微电子技术已经从植入式起搏器发展到了利用物联网的个人可穿戴设备，下一波热潮可能涉及控制分子（例如葡萄糖、激素或DNA）改善人体健康的设备。当今的微电子设备主要使用硅、金或化学材料，利用电能处理信息。因为自由电子在生物系统中不存在，微电子学与生物界之间仍然存在技术差距。

事实上，生物系统存在一小类能够使电子自由穿梭的分子——氧化还原分子，它们通过发生氧化还原反应，几乎可以将电子传输到任何位置。受此启发，研究者利用合成生物学元件对细胞进行工程改造，创建了一个复杂的合成“开关”系统，并结合CRISPR技术，使其识别电子而不是传统的分子信号。研究者抛弃CRISPR编辑基因的功能，对其进行修改使其能够接收电子信号，并与氧化还原反应调节蛋白SoxR协同工作，将电子信号转化成生物信号。

图：eCRISPR系统方案|来源：Nature Communication

具体说来，如图所示，首先在生物-电子界面上产生时空电化学梯度方案，其中通过外部电极施加氧化电位以氧化Fcn，从而在远离电极的时间和空间维度上产生Fcn（O）梯度。接着，包含基于SoxS的电基因启动子的eCRISPR系统被花青素（PYO）和氧化还原介体铁氰化物Fcn（O）激活，导致gRNA的表达和基于CRISPR的转录因子复合物的形成。这些复合物可以被引导至期望的部位，从而在生物-电子界面的复杂信号梯度中实现信号放大和噪声降低。基于eCRISPR的基因组调控的结果是，生物群体显示出更加线性和放大的生物响应信号梯度，从而使跨生物电子界面的信号保真度更高。

实验证明该系统可以响应电子信号对编程的大肠杆菌和沙门氏菌中特定基因表达进行上调和下调。该研究证明使用相同的氧化还原介质作为通讯工具，可以将通过电子方式编程的信息传输到许多菌株内部。

编译整理|吴晓燕 生物科技战略研究中心

参考文献|A redox-based electrogenetic CRISPR system to connect with and control biological information networks，Nature Communication