Creating CRISPR-responsive smart materials for diagnostics and programmable cargo release

自愈水凝胶 清脆的 纳米技术 合成生物学 反式激活crRNA 计算生物学 微流控 DNA 计算机科学 核酸 基因组编辑 化学 材料科学 生物 生物化学 基因 有机化学
作者
Raphaël V. Gayet,Helena de Puig,Max A. English,Luis R. Soenksen,Peter Q. Nguyen,Angelo S. Mao,Nicolaas M. Angenent-Mari,James J. Collins
出处
期刊:Nature Protocols [Nature Portfolio]
卷期号:15 (9): 3030-3063 被引量:74
标识
DOI:10.1038/s41596-020-0367-8
摘要

Materials that sense and respond to biological signals in their environment have a broad range of potential applications in drug delivery, medical devices and diagnostics. Nucleic acids are important biological cues that encode information about organismal identity and clinically relevant phenotypes such as drug resistance. We recently developed a strategy to design nucleic acid-responsive materials using the CRISPR-associated nuclease Cas12a as a user-programmable sensor and material actuator. This approach improves on the sensitivity of current DNA-responsive materials while enabling their rapid repurposing toward new sequence targets. Here, we provide a comprehensive resource for the design, synthesis and actuation of CRISPR-responsive hydrogels. First, we provide guidelines for the synthesis of Cas12a guide RNAs (gRNAs) for in vitro applications. We then outline methods for the synthesis of both polyethylene glycol-DNA (PEG-DNA) and polyacrylamide-DNA (PA-DNA) hydrogels, as well as their controlled degradation using Cas12a for the release of cargos, including small molecules, enzymes, nanoparticles and living cells within hours. Finally, we detail the design and assembly of microfluidic paper-based devices that use Cas12a-sensitive hydrogels to convert DNA inputs into a variety of visual and electronic readouts for use in diagnostics. Following the initial validation of the gRNA and Cas12a components (1 d), the synthesis and testing of either PEG-DNA or PA-DNA hydrogels require 3-4 d of laboratory time. Optional extensions, including the release of primary human cells or the design of the paper-based diagnostic, require an additional 2-3 d each.
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