Internet Of Bodies: Usando CRISPR para conectar eletricamente e controlar o genoma

Assim como a Internet das Coisas (IoT), IoB se refere ao acesso e controle do corpo humano via Internet. Aqui, detalhamos como o CRISPR pode ser usado para se conectar eletricamente com o genoma e como uma prova de controle de exibição de conceito sobre as redes de informações transcricionais dentro de E. coli e Salmonella.

A tecnologia desempenhou um papel transformador em nossas vidas e seu impacto na saúde humana nunca foi tão sentido como nos tempos atuais da pandemia global Covid-19.

Neste cenário, o desenvolvimento de sistemas autônomos de detecção e atuação de saúde, também conhecidos como sistemas de ciclo fechado que 'sentem' e 'agem' em direção a uma condição biológica (Kovatchev et ai., 2009; Berényi et ai., 2012), pode desempenhar um papel crítico na abordagem de crises de saúde do futuro. A adoção bem-sucedida de sistemas eletrônicos de saúde humana em circuito fechado depende do desenvolvimento de novos métodos de atuação biológica, que até agora se limitaram à estimulação neural e à optogenética centenárias.

Avanços recentes no campo da atuação biológica derivam da biologia sintética, onde nosso grupo e outros relataram circuitos genéticos que respondem a sinais elétricos com expressão de genes específicos de interesse (Weber et ai., 2008; Tschirhart et ai., 2017; Krawczyk et ai., 2020). Em uma publicação anterior, nosso grupo detalhou um SoxS promotor bacteriano baseado em redox que responde a sinais eletroquímicos específicos que podem ser gerados por meio de um eletrodo externo.

Usando este promotor, transgenes específicos de interesse podem ser expressos em bactérias em resposta a estímulos elétricos programados. Neste trabalho, demos o próximo salto lógico para essa tecnologia, ou seja, usar sinais elétricos para conectar e controlar redes transcricionais no genoma das células (Bhokisham e outros, 2020).

Para ajudar em nossa busca, exploramos a tecnologia CRISPR que fornece os meios para atingir qualquer alvo específico no genoma. Especificamente, usamos o ativador transcricional baseado em dCas9 para ativar e reprimir eletricamente genes selecionados de interesse.

Em primeiro lugar, integramos o sistema CRISPR com o promotor eletro responsivo baseado em SoxR, otimizando vários componentes envolvidos no sistema CRISPR para fazer um sistema sintonizável e induzível. Desta forma, usando CRISPR ativamos eletricamente LasI, um autoindutor-1 (AI-1) sintase resultando na geração de AI-1, um mediador quorum sensing (Fig. 2 e 3).

Posteriormente, reaproveitamos o ativador CRISPR para reprimir simultaneamente genes selecionados também. Como os estímulos eletroquímicos que impulsionam o promotor SoxS também induzem o estresse oxidativo, as células bacterianas ativam as respostas de defesa ao estresse intrínseco para atenuar os estímulos elétricos. Usamos o ativador CRISPR reaproveitado para reprimir a ativação das defesas de estresse oxidativo em E. coli e S. entérica, levando assim a uma saída melhorada do promotor responsivo a estímulos elétricos (Fig. 4).

Quando colocadas no contexto dos gradientes de sinal espaço-temporais complexos na interface bioeletrônica, as células com defesas de estresse oxidativo reprimido exibiram respostas mais alinhadas em relação aos gradientes de sinal externos (Fig. 5).

Este conceito de silenciar certos elementos no genoma a fim de manter uma melhor congruência com ambientes externos é inspirado na natureza e encontrado na embriogênese e na levedura também (Yu et ai., 2008; Paulsen et ai.2011).

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