PAM‐Engineered Toehold Switches as Input‐Responsive Activators of CRISPR‐Cas12a for Sensing Applications

清脆的 细胞生物学 化学 纳米技术 计算生物学 计算机科学 生物 材料科学 基因 生物化学
作者
Neda Bagheri,Alejandro Chamorro-García,Andrea Idili,Alessandro Porchetta
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (17): e202319677-e202319677 被引量:35
标识
DOI:10.1002/anie.202319677
摘要

The RNA-programmed CRISPR effector protein Cas12a has emerged as a powerful tool for gene editing and molecular diagnostics. However, additional bio-engineering strategies are required to achieve control over Cas12a activity. Here, we show that Toehold Switch DNA hairpins, presenting a rationally designed locked protospacer adjacent motif (PAM) in the loop, can be used to control Cas12a in response to molecular inputs. Reconfiguring the Toehold Switch DNA from a hairpin to a duplex conformation through a strand displacement reaction provides an effective means to modulate the accessibility of the PAM, thereby controlling the binding and cleavage activities of Cas12a. Through this approach, we showcase the potential to trigger downstream Cas12a activity by leveraging proximity-based strand displacement reactions in response to target binding. By utilizing the trans-cleavage activity of Cas12a as a signal transduction method, we demonstrate the versatility of our approach for sensing applications. Our system enables rapid, one-pot detection of IgG antibodies and small molecules with high sensitivity and specificity even within complex matrices. Besides the bioanalytical applications, the switchable PAM-engineered Toehold Switches serve as programmable tools capable of regulating Cas12a-based targeting and DNA processing in response to molecular inputs and hold promise for a wide array of biotechnological applications.
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