Internet of Bodies: uso de CRISPR para conectar y controlar eléctricamente el genoma

Al igual que Internet de las cosas (IoT), IoB se refiere al acceso y control del cuerpo humano a través de Internet. Aquí, detallamos cómo se puede utilizar CRISPR para conectarse eléctricamente con el genoma y, como prueba de concepto, mostrar el control sobre las redes de información transcripcional dentro de E. coli y Salmonella.

La tecnología ha jugado un papel transformador en nuestras vidas y su impacto en la salud humana nunca se siente más que en los tiempos actuales de la pandemia mundial Covid-19.

En este escenario, el desarrollo de sistemas autónomos de detección y activación de la salud, también conocidos como sistemas de circuito cerrado que 'detectan' y 'actúan' hacia una condición biológica (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), puede desempeñar un papel fundamental a la hora de abordar las crisis de salud del futuro. La adopción exitosa de sistemas electrónicos de salud humana de circuito cerrado depende del desarrollo de nuevos métodos de actuación biológica que hasta ahora se han limitado a la estimulación neuronal y la optogenética centenaria.

Los avances recientes en el campo de la actuación biológica provienen de la biología sintética, donde nuestro grupo y otros han informado circuitos de genes que responden a señales eléctricas con expresión de genes específicos de interés (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). En una publicación anterior, nuestro grupo había detallado un promotor bacteriano basado en redox SoxS que responde a señales electroquímicas específicas que se pueden generar a través de un electrodo externo.

Usando este promotor, se pueden expresar transgenes de interés específicos en bacterias en respuesta a estímulos eléctricos programados. En este trabajo, hemos dado el siguiente salto lógico para esta tecnología, es decir, utilizar señales eléctricas para conectar y controlar redes transcripcionales en el genoma de las células (Bhokisham y otros, 2020).

Para ayudar en nuestra búsqueda, explotamos la tecnología CRISPR que proporciona los medios para apuntar a cualquier objetivo específico en el genoma. Específicamente, usamos el activador transcripcional basado en dCas9 para activar y reprimir eléctricamente genes seleccionados de interés.

En primer lugar, integramos el sistema CRISPR con el promotor electro sensible basado en SoxR, optimizamos varios componentes involucrados en el sistema CRISPR para hacer un sistema sintonizable e inducible. De esta manera, usando CRISPR activamos eléctricamente LasI, una autoinducer-1 (AI-1) sintasa que resultó en la generación de AI-1, un mediador de detección de quórum (Fig. 2 y 3).

Más tarde, reutilizamos el activador CRISPR para reprimir simultáneamente genes seleccionados también. Dado que los estímulos electroquímicos que impulsan al promotor SoxS también inducen estrés oxidativo, las células bacterianas activan respuestas de defensa intrínsecas al estrés para atenuar los estímulos eléctricos. Usamos el activador CRISPR reutilizado para reprimir la activación de las defensas del estrés oxidativo en E. coli e S. entérica, lo que conduce a una salida mejorada del promotor sensible a los estímulos eléctricos (Fig. 4).

Cuando se colocan en el contexto de los gradientes de señales espacio-temporales complejos en la interfaz bioelectrónica, las células con defensas de estrés oxidativo reprimidas mostraron respuestas más alineadas en relación con los gradientes de señales externas (Fig. 5).

Este concepto de silenciar ciertos elementos en el genoma para mantener una mejor congruencia con los entornos externos está inspirado en la naturaleza y se encuentra también en la embriogénesis y la levadura (Yu et al., 2008; Paulsen et al., 2011).

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