El sistema de edición genómica CRISPR es conocido sobre todo por su potencial para corregir mutaciones causantes de enfermedades e introducir nuevos genes en células vivas. Ahora, un equipo del MIT y la Universidad de Harvard ha empleado CRISPR con un propósito completamente distinto: crear materiales novedosos, como geles, que pueden cambiar sus propiedades al encontrarse con secuencias específicas de ADN.
Los investigadores demostraron que podían utilizar CRISPR para controlar circuitos electrónicos y dispositivos microfluídicos, así como para liberar fármacos, proteínas o células vivas desde los geles. Estos materiales podrían utilizarse para crear dispositivos de diagnóstico de enfermedades como el ébola, o para administrar tratamientos de enfermedades como el síndrome del intestino irritable.
«Este estudio sirve como un buen punto de partida para demostrar cómo CRISPR puede utilizarse en la ciencia de materiales para una gama realmente amplia de aplicaciones», afirma James Collins, catedrático Termeer de Ingeniería y Ciencias Médicas en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT y en el Departamento de Ingeniería Biológica, y autor principal del estudio.
Los primeros autores del estudio, que se publica en la edición en línea de la revista Science del 22 de agosto, son los estudiantes de posgrado del MIT Max Atti English, Luis Soenksen y Raphael Gayet, y la posdoctoranda Helena de Puig.
Interacciones con el ADN
CRISPR se basa en proteínas que cortan el ADN, denominadas enzimas Cas, que se unen a guías cortas de ARN que las dirigen a áreas específicas del genoma. Cas corta el ADN en esas ubicaciones, eliminando un gen o permitiendo que se introduzcan nuevas secuencias genéticas.
En los últimos años, se ha dedicado mucha investigación a desarrollar CRISPR como herramienta de edición genética para tratar enfermedades mediante la extirpación o reparación de genes defectuosos. El equipo del MIT y Harvard se propuso adaptarla para crear materiales que pudieran responder a estímulos externos, como la presencia de una determinada secuencia de ADN.
Para este trabajo, utilizaron una enzima conocida como Cas12a, que puede programarse para unirse a secuencias específicas de ADN de doble cadena simplemente cambiando la secuencia de ARN guía que se proporciona junto con la enzima. Una vez que Cas12a encuentra una secuencia de ADN diana, también llamada desencadenante, corta el ADN de doble cadena y se transforma en una enzima capaz de cortar cualquier ADN de cadena sencilla que encuentre.
«Al incorporar ADN a los materiales, se puede utilizar esta enzima para controlar las propiedades de los materiales en respuesta a una señal biológica específica del entorno», afirma English.
Los investigadores aprovecharon esto para diseñar geles que incorporan ADN de cadena sencilla en funciones estructurales o funcionales clave. En un ejemplo, crearon un gel formado por polietilenglicol (PEG) y utilizaron ADN para anclar enzimas u otras biomoléculas grandes al gel. Cuando se activa mediante una secuencia desencadenante, Cas12a corta los anclajes de ADN, liberando la carga útil.
Según afirman los investigadores, este tipo de gel podría ser útil para liberar compuestos terapéuticos, como fármacos o factores de crecimiento. En otro ejemplo, crearon un gel de acrilamida en el que el ADN de cadena sencilla forma una parte integral de la estructura del gel. En ese caso, cuando el desencadenante activa Cas12a, todo el gel se descompone, lo que permite la liberación de cargas más grandes, como células o nanopartículas.
«En ese contexto, consideramos el ADN de cadena sencilla como un andamiaje estructural», afirma Gayet. «La enzima es capaz de catalizar el corte del ADN de cadena sencilla, que actúa como enlazador estructural, y liberar todas esas moléculas».
Los investigadores están estudiando ahora la posibilidad de utilizar este enfoque para administrar células bacterianas modificadas que ayuden a tratar enfermedades gastrointestinales.
Diagnósticos económicos
Los investigadores también crearon dos dispositivos de diagnóstico controlados por CRISPR, uno basado en un circuito electrónico y otro en un chip microfluídico.
Para crear el circuito electrónico, los investigadores diseñaron un gel que incluye ADN de cadena sencilla y un material llamado negro de humo, que conduce la electricidad. Cuando este gel conductor se adhiere a la superficie de un electrodo, permite que fluya la corriente eléctrica. Sin embargo, si Cas12a se activa mediante una secuencia desencadenante, como una hebra de ADN viral procedente de una muestra de sangre, el gel se separa del electrodo y la corriente deja de fluir.
Para su sensor microfluídico, los investigadores crearon un gel que contiene ADN y que actúa como una válvula que controla el flujo de una solución a través del canal microfluídico. Si la solución contiene una muestra de sangre con una secuencia de ADN diana, el gel se descompone, cerrando la válvula, y la solución deja de fluir. Este sensor microfluídico puede conectarse a un chip RFID, lo que le permite transmitir de forma inalámbrica los resultados de la prueba.
«Un profesional sanitario puede estar monitorizando a decenas de pacientes, y la presencia o ausencia del desencadenante del ébola transmitirá automáticamente una señal binaria», afirma Soenksen.
Aunque los investigadores utilizaron muestras de fluidos que contenían ARN del virus del ébola para probar este enfoque, también podría adaptarse para detectar otras enfermedades infecciosas, así como células cancerosas que circulan por el torrente sanguíneo del paciente.
Philip LeDuc, catedrático de Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon, describe el trabajo como «tremendamente creativo».
«Se trata de una intersección muy poco evidente entre dos campos distintos, y la influencia de este trabajo será de gran alcance», afirma LeDuc, que no participó en el estudio. «Este trabajo transdisciplinar puede dar lugar a una nueva generación completa de enfoques para aplicaciones que van desde la construcción de órganos artificiales hasta la mejora del medio ambiente».
La investigación fue financiada por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa, el Paul G. Allen Frontiers Group y el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de la Universidad de Harvard.
