CRISPRゲノム編集システムは、疾患を引き起こす変異を修正し、生きた細胞に新たな遺伝子を組み込む可能性で最もよく知られている。今回、MITとハーバード大学のチームは、CRISPRを全く異なる目的に応用した。すなわち、特定のDNA配列に遭遇すると性質を変化させることができる、ゲルなどの新規材料の作製である。
研究者らは、CRISPRを用いて電子回路やマイクロ流体デバイスを制御できること、またゲルから薬剤、タンパク質、あるいは生細胞を放出させられることを示した。こうした材料は、エボラなどの疾患向けの診断デバイスの作製や、過敏性腸症候群などの疾患向けの治療の提供に利用できる可能性がある。
「本研究は、CRISPRが極めて広範な用途において材料科学でどのように活用できるかを示す、良い出発点となる」と、MITの医用工学・科学研究所（IMES）および生物工学科に所属し、本研究の責任著者であるTermeer Professor of Medical Engineering and ScienceのJames Collins氏は述べている。
本研究の筆頭著者は、8月22日付のオンライン版『Science』に掲載されており、MITの大学院生であるMax Atti English氏、Luis Soenksen氏、Raphael Gayet氏、およびポスドクのHelena de Puig氏である。
DNA相互作用
CRISPRは、Cas酵素と呼ばれるDNA切断タンパク質に基づいている。Cas酵素は、ゲノムの特定領域へ導く短いRNAガイドと結合する。Casはその位置でDNAを切断し、遺伝子を削除したり、新たな遺伝配列を導入したりできるようにする。
過去数年間、疾患の治療に向けて、欠陥のある遺伝子を切り出したり修復したりするための遺伝子編集ツールとして、CRISPRを開発する研究が多く行われてきた。MITとハーバード大学のチームは、DNAの特定の配列の存在などの外部からの刺激に応答する材料を作製するため、CRISPRを応用することに取り組んだ。
本研究では、Cas12aと呼ばれる酵素を用いた。この酵素は、酵素とともに与えられるガイドRNA配列を変更するだけで、二本鎖DNAの特定の配列に結合するようプログラムできる。Cas12aは、標的DNA配列（トリガーとも呼ばれる）に遭遇すると、二本鎖DNAを切断し、遭遇した一本鎖DNAをすべて切断できる酵素へと変化する。
「DNAを材料に組み込むことで、環境中の特定の生物学的な刺激に応答して、材料の性質を制御するためにこの酵素を利用できる」とEnglish氏は述べている。
研究者らは、この特性を活かして、一本鎖DNAを機能上または構造上の重要な役割として組み込んだゲルを設計した。一例では、ポリエチレングリコール（PEG）から作られたゲルを作製し、DNAを用いて酵素や他の大型の生体分子をゲルに固定した。トリガー配列によって活性化されると、Cas12aがDNAのアンカーを切断し、搭載物を放出させる。
研究者らによると、この種のゲルは、薬剤や成長因子などの治療用化合物を放出させる用途に有用となりうる。別の例では、一本鎖DNAがゲル構造の不可欠な部分を形成するアクリルアミドゲルを作製した。この場合、Cas12aがトリガーによって活性化されると、ゲル全体が分解し、細胞やナノ粒子などのより大きな積荷の放出が可能になる。
「この文脈では、一本鎖DNAを構造的な足場とみなしている」とGayet氏は述べている。「この酵素は、構造的なリンカーとして働く一本鎖DNAの切断を触媒し、それらの分子をすべて放出させることができる」。
研究者らは現在、消化器疾患の治療を支援するため、改変した細菌細胞を送達するこのアプローチの可能性を検討している。
低コストの診断
研究者らは、電子回路に基づくものとマイクロ流体チップに基づくものの、CRISPRで制御される2種類の診断デバイスも作製した。
電子回路を作製するため、研究者らは一本鎖DNAと、電気を通すカーボンブラックと呼ばれる材料を含むゲルを設計した。このような導電性ゲルは、電極の表面に付着させると、電流を流すことができる。しかし、Cas12aが、採血試料由来のウイルスDNA鎖などのトリガー配列によって活性化されると、ゲルが電極から剥がれ、電流の流れが止まる。
マイクロ流体センサーについては、研究者らはDNAを含むゲルを作製した。このゲルは、マイクロ流体チャネルを通る溶液の流れを制御するバルブとして機能する。溶液に標的DNA配列を含む採血試料が含まれていると、ゲルが分解してバルブが閉じ、溶液の流れが止まる。このマイクロ流体センサーはRFIDチップに接続でき、検査結果を無線で送信することが可能になる。
「医療従事者は何十人もの患者を同時に監視できる。そしてエボラのトリガーの有無が、自動的に二値信号として伝達される」とSoenksen氏は述べている。
研究者らは、エボラウイルスのRNAを含む液体試料を用いてこのアプローチを検証したが、他の感染症や、患者の血流中を循環するがん細胞の検出にも応用できる可能性がある。
カーネギーメロン大学の機械工学教授であるPhilip LeDuc氏は、この研究を「非常に創造的」と評している。
「二つの異なる分野が交差する、非常に意外性のある取り組みであり、本研究の影響は広範囲に及ぶだろう」と、本研究には関与していないLeDuc氏は述べている。「この学際的な研究は、人工臓器の構築から環境改善に至るまで、まったく新しい世代の応用的アプローチを可能にするかもしれない」。
本研究は、米国防脅威削減局、Paul G. Allen Frontiers Group、およびハーバード大学のWyss Institute for Biologically Inspired Engineeringの支援を受けた。
