第一單位：上海交通大學
刺激響應水凝膠材料能夠對溫度、光線、電磁場或pH值變化響應，以用作藥物控制釋放、響應性涂料、形狀記憶材料以及分析傳感平臺，在法醫分析、醫學診斷和環境監測等多個領域備受關注。然而，這種廣泛的適用性意味著需要對水凝膠系統進行重新設計，這無疑增加了設計的復雜性。此外，要實現對外界刺激的快速敏感響應通常需要高濃度的觸發器，這限制了水凝膠系統在生物傳感和診斷領域中的應用。
DNA基水凝膠是一種交聯親水性聚合物，其中DNA作為結構骨架或連接其他合成聚合物的交聯劑。DNA序列可以調控具有高特異性材料的響應性，并且可以被整合到合成聚合物中或自組裝形成響應性水凝膠，應用于生物傳感、藥物釋放和治療等領域。基于DNA的水凝膠具有穩定性、靈活性、精確的可編程性、刺激響應性等優點。但是，交聯聚合物必須通過刺激來調控驅動，通常是通過DNA置換反應、適配體靶向結合或酶催化。
第一作者：Max A. English, Luis R. Soenksen, Raphael V. Gayet, Helena de Puig
通訊作者：James J. Collins
通訊單位：美國麻省理工學院
有鑒于此，美國麻省理工學院James J. Collins等人在Science發表文章，報道了一種CRISPR (clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats) 關聯核酸酶控制的DNA水凝膠，該水凝膠的功能可根據用戶自定義的目標核酸序列進行調整。這類刺激響應材料可用于小分子的可控釋放、電子設備的控制以及與微流體設備結合實現病毒的檢測。譚蔚泓院士等人對此進行點評和展望。
圖1. DNA水凝膠
James J. Collins等人創造性地將CRISPR-Cas (CRISPR-associated)系統整合到DNA水凝膠中，提高了反應靈敏度。具體來說，CRISPR-Cas12a技術包含一個目標DNA效應物核酸酶Cas12a以及互補的向導RNA (gRNA)間隔序列。在該系統中，堿基配對成功能夠激活Cas12a核酸酶，進而切割目標雙鏈DNA(dsDNA)或任意單鏈DNA(ssDNA)。通過在水凝膠系統內部構建Cas12a-gRNA和目標dsDNA匹配對，可以獲得一個智能、通用、多功能、靈敏的水凝膠系統。
圖2. cas12a調控的PEG水凝膠用于小分子和酶的可控釋放
該設計是高度模塊化的。CRISPR關聯酶可以控制含有DNA組件(包括切換器和執行器)水凝膠的特性。其中切換器由Cas12a-gRNA復合物和目標dsDNA鏈組成，通過gRNA和目標dsDNA之間的配對來監測開放和關閉狀態。執行器包含ssDNA交聯劑，能夠調整水凝膠的性質。模塊化的特點可以降低水凝膠系統設計的復雜性，并有利于開發新的功能。
該水凝膠結構可以對任何用戶定義的目標DNA序列作出響應，而無需重新設計不同的凝膠結構。且該水凝膠的驅動不需要高濃度的觸發器，這歸功于CRISPR-Cas12a系統能夠高效靶向切割。James J. Collins等人已經將該CRISPR響應水凝膠應用于幾類功能響應體系。研究發現，該水凝膠系統對小分子、納米顆粒和活細胞可控釋放具有很高的敏感度和選擇性；研究人員還將一種基于DNA的水凝膠附著在電極表面，用作保險絲；作者又將該響應性凝膠與微流控芯片結合，從而設計出一種用于快速、靈敏的病毒檢測工具。
圖3. 可編程的用于NPs和活細胞可控釋放的PA-DNA水凝膠
這些屬性使得CRISPR關聯水凝膠系統可成為便攜、快速的定量檢測平臺，用于檢測危險病毒病原體的特異性菌株，鑒別致病菌，并在體外鑒定無細胞的腫瘤DNA突變。生物相容性響應性材料的應用可以實現對血液循環系統的控制，同時可以作為具有高特異性和體內響應性的智能藥物傳遞系統。此外，如果將這種水凝膠將與CRISPR-Cas系統相結合，用于控制基因組編輯相關的應用，則有望提高其精度、效率和時空可控性。
圖4. 基于水凝膠-微流控設備(μPAD)的雙重視覺診斷應用程序
參考文獻：
1. Da Han, Juan Li, Weihong Tan. CRISPR propels a smart hydrogel. Science.2019
DOI: 10.1126/science.aay4198
https://science.sciencemag.org/content/365/6455/754
2. Max A. English, Luis R. Soenksen, Raphael V. Gayet, Helena de Puig,Nicolaas M. Angenent-Mari, Angelo S. Mao, Peter Q. Nguyen, James J. Collins. ProgrammableCRISPR-responsive smart materials. Science. 2019
DOI: 10.1126/science.aaw5122
https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780
