??溫度，光照，電磁場或pH響應(yīng)性的材料可用作控釋劑，響應(yīng)涂層，形狀記憶材料以及傳感器。而由于生物系統(tǒng)的多樣性，生物響應(yīng)性材料（如病原體）需要更強(qiáng)的靶向性和多樣性設(shè)計。得益于DNA的高特異性，基于DNA的響應(yīng)性材料已被廣泛應(yīng)用于生物傳感，藥物釋放以及基因治療。但目前，基于DNA的水凝膠體系設(shè)計復(fù)雜，對外部刺激的快速識別和響應(yīng)通常需要高濃度的觸發(fā)信號，限制其在生物傳感和診斷的應(yīng)用中。

近期，美國麻省理工學(xué)院James J. Collins及其研究小組報道了一種可批量應(yīng)用的，可編程的CRISPR響應(yīng)智能材料。CRISPR 英文全稱是 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)，是大多數(shù)細(xì)菌及古細(xì)菌中一種不斷進(jìn)化適應(yīng)的免疫防御機(jī)制。CRISPR系統(tǒng)由DNA核酸酶（Cas12a）和向?qū)NA(gRNA)組成。gRNA識別出外源DNA，堿基配對成功后，Cas12a將DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)切斷。這與真核生物中RNA干擾（RNAi）的原理是相似的。作者將CRISPR技術(shù)創(chuàng)造性地整合到DNA水凝膠中，Cas12a-gRNA可以特異性識別外源DNA，激活Cas12a以切割目標(biāo)DNA以及不加區(qū)分的單鏈DNA (ssDNA)。

DNA水凝膠解體，實現(xiàn)對目標(biāo)DNA的響應(yīng)，可用于多種藥物、納米顆粒甚至細(xì)胞的可控釋放。該水凝膠結(jié)構(gòu)可以響應(yīng)任何目標(biāo)DNA序列而無需重新設(shè)計不同的水凝膠體系。另外由于CRISPR-Cas12a系統(tǒng)高效的切割，該水凝膠體系無需高濃度目標(biāo)物觸發(fā)。該體系巧妙地將生物信息轉(zhuǎn)換成宏觀材料的性能的變化，可有效應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)分析，醫(yī)學(xué)診斷以及環(huán)境監(jiān)測。作者分別報道了小分子藥物或者蛋白質(zhì)可控釋放的多臂聚乙二醇水凝膠，金納米顆粒甚至活細(xì)胞可控釋放的聚丙烯酰胺水凝膠，用作保險絲的導(dǎo)電炭黑水凝膠以及與微流控芯片結(jié)合實現(xiàn)病毒的快速靈敏檢測。

這項工作在《Science》一經(jīng)發(fā)表、《Nature》同步報道。同時，譚蔚泓院士等在《Science》上發(fā)表評述：該體系可用作便攜，快速和定量的生物傳感器，用于檢測危險病毒病原體的特定菌株，區(qū)分病原菌、人類DNA的基因型，體外鑒定無細(xì)胞腫瘤DNA突變等。DNA水凝膠與CRISPR-Cas系統(tǒng)結(jié)合將有利于提高基因編輯相關(guān)應(yīng)用的精確性，高效性以及時空可控性。

圖文速遞

圖1. Cas12a調(diào)節(jié)的小分子和酶可控釋放PEG水凝膠。

（A）ssDNA作為可裂解的連接劑將有效負(fù)載附加到惰性PEG基質(zhì)上。hv，光能。(B) 負(fù)載的熒光基團(tuán)的釋放僅由特異性的dsDNA觸發(fā)，對打亂的dsDNA序列無響應(yīng)性。（C）負(fù)載的功能性酶可被足量釋放，利用HRP assay 在幾分鐘內(nèi)可檢測到酶活性。（D）Cas12a活化以及熒光團(tuán)的釋放（t＝8 h）是由dsDNA序列和gRNA的互補識別控制的。（E）PEG水凝膠的交聯(lián)密度影響負(fù)載物的釋放效率。（F）相互匹配的寡核苷酸與ssDNA預(yù)雜交選擇性地降低負(fù)載物的釋放效率（觀察時間：1.5h）。

圖2. 可編程的、納米顆粒和活細(xì)胞可控釋放的PA-DNA水凝膠。

（A）ssDNA交聯(lián)的DNA功能性的PA分子鏈。（B）Cas12調(diào)節(jié)PA-DNA水凝膠的降解。（C）25個gRNAs和dsDNA組合觸發(fā)凝膠降解以及12小時后的信號對比。（D）AuNPs 從7% (w/v) PA-DNA凝膠內(nèi)的釋放，通過凝膠的光學(xué)密度變化來追蹤AuNPs釋放。（E）特異性序列識別引發(fā)的PA-DNA凝膠降解，實現(xiàn)非粘附型細(xì)胞PBMCs的釋放。細(xì)胞在封裝前分別用藍(lán)色和紅色celltracker 染色，ssDNA也被熒光染色以顯示細(xì)胞的釋放。

圖3. CB-DNA水凝膠用作電氣保險絲。

（A）實驗工作流程圖。（B）隨著DNA觸發(fā)濃度增加的CB-DNA凝膠的降解動力學(xué)（n = 5）。每隔一小時檢查一次以記錄凝膠從電極上的脫落。（C）圖（B）中CB-DNA凝膠脫離后或者24小時后無脫離的交叉形電極之間的電阻。用Kruskal-Wallis (K-W) 測試（前:P = 0.7, 后: P = 0.0003）和POST-HOC測試（1.0mM and 0.5 mM：前all > 0.99，后P < 0.05，其他組P > 0.05）比較了反應(yīng)前后的測量值。（D）在反應(yīng)中脫離交叉形電極的凝膠的代表性圖像（頂部）和圖（B）中從反應(yīng)中祛除的顯微鏡照片（底部）。

圖4. Cas12a水凝膠前驅(qū)體的消化調(diào)節(jié)紙基微流體裝置（mPAD）的滲透性，用于視覺和電子讀數(shù)雙診斷。

（A）可堆疊的μPAD設(shè)計改善以適用于CRISPR凝膠操作以及電子讀數(shù)。層1至4包含親水區(qū)域，其在折疊時形成連續(xù)通道并且進(jìn)入層5中的側(cè)向流動通道。作為緩沖排芯的作用，層5被導(dǎo)電層覆蓋進(jìn)行電導(dǎo)率測量。在靶向觸發(fā)的情況下，Cas12a切斷DNA連接，阻止通道中的水凝膠交聯(lián)并實現(xiàn)流動。插圖顯示了通道（頂部）和沒有交聯(lián)水凝膠（底部）的SEM圖像。（B）比色耦合的終點測量（t=5mins），RT-RPA mPAD水凝膠檢測系統(tǒng)用于不同濃度的ssRNA埃博拉病毒（EBOV）輸入（平均值±SD，n=3 mPADs）。顯示了mPAD通道的代表性圖像，陽性對照對應(yīng)于在預(yù)孵育反應(yīng)中沒有ssDNA鏈的流動和陰性對照對應(yīng)于未消化的ssDNA鏈的流動。在0和11-aM的ssRNA樣本中差異值為P = 0.0057。（C）4小時的預(yù)消化步驟后，對于不同濃度的dsDNA和MRSA觸發(fā)信號，測量了通道上的電阻的終點測量（5分鐘）。Sc = 50 nM 打亂的dsDNA。（D）紙- 流體裝置與RFID柔性標(biāo)簽的集成示意圖。預(yù)消化步驟中的Cas12a激活導(dǎo)致環(huán)形RFID標(biāo)簽中的交叉型電極短路，標(biāo)簽間的絕對值差異說明dsDNA觸發(fā)器激活了Cas12a。（E）在RFID mPAD裝置的實驗盲法試驗中，正面和負(fù)面的代表性信號軌跡結(jié)果（圖S29中的全套）。通過RT-RPA擴(kuò)增含有0aM（陰性）或11 aM（陽性）EBOV ssRNA觸發(fā)的樣品。樣品與ssDNA凝膠和Cas12a-gRNA孵育4小時，并在mPAD-RFID裝置上測定。

文章鏈接：https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780/tab-pdf

作者：毫無邏輯小Cu 來源：高分子科學(xué)前沿