Internet des corps : utiliser CRISPR pour connecter et contrôler électriquement le génome

Tout comme l'Internet des objets (IoT), l'IoB fait référence à l'accès et au contrôle du corps humain via Internet. Ici, nous détaillons comment CRISPR peut être utilisé pour se connecter électriquement au génome et comme preuve de contrôle d'affichage de concept sur les réseaux d'informations transcriptionnelles à l'intérieur d'E. coli et de Salmonella.

La technologie a joué un rôle transformateur dans nos vies et son impact sur la santé humaine ne se fait jamais plus sentir qu'à l'époque actuelle de la pandémie mondiale de Covid-19.

Dans ce scénario, le développement de systèmes autonomes de détection et d'actionnement de la santé, également appelés systèmes en boucle fermée qui « détectent » et « agissent » vis-à-vis d'une condition biologique (Kovatchev et al., 2009 ; Berenyi et al., 2012), peuvent jouer un rôle essentiel dans la gestion des crises sanitaires à venir. L'adoption réussie de systèmes électroniques de santé humaine en boucle fermée dépend du développement de nouvelles méthodes d'actionnement biologique qui se sont jusqu'à présent limitées à la stimulation neuronale et à l'optogénétique centenaires.

Les progrès récents dans le domaine de l'actionnement biologique découlent de la biologie synthétique où notre groupe et d'autres ont signalé des circuits de gènes qui répondent aux signaux électriques avec l'expression d'un gène d'intérêt spécifique (Weber et al., 2008 ; Tschirhart et al., 2017 ; Cracovie et al., 2020). Dans une publication précédente, notre groupe avait détaillé un promoteur bactérien à base d'oxydoréduction SoxS qui répond à des signaux électrochimiques spécifiques pouvant être générés via une électrode externe.

En utilisant ce promoteur, des transgènes d'intérêt spécifiques peuvent être exprimés dans des bactéries en réponse à des stimuli électriques programmés. Dans ce travail, nous avons franchi le pas logique suivant pour cette technologie, c'est-à-dire utiliser des signaux électriques pour connecter et contrôler des réseaux transcriptionnels dans le génome des cellules (Bhokisham et al., 2020).

Pour nous aider dans notre poursuite, nous avons exploité la technologie CRISPR qui permet de cibler n'importe quelle cible spécifique du génome. Plus précisément, nous avons utilisé l'activateur transcriptionnel basé sur dCas9 pour activer et réprimer électriquement certains gènes d'intérêt.

Tout d'abord, nous avons intégré le système CRISPR avec le promoteur électro-réactif basé sur SoxR, optimisé divers composants impliqués dans le système CRISPR pour créer un système accordable et inductible. De cette façon, à l'aide de CRISPR, nous avons activé électriquement LasI, une synthase autoinductrice-1 (AI-1) entraînant la génération d'AI-1, un médiateur de détection de quorum (Fig. 2 et 3).

Plus tard, nous avons réutilisé l'activateur CRISPR pour réprimer simultanément des gènes sélectionnés. Étant donné que les stimuli électrochimiques qui alimentent le promoteur SoxS induisent également un stress oxydatif, les cellules bactériennes activent des réponses de défense intrinsèque au stress pour atténuer les stimuli électriques. Nous avons utilisé l'activateur CRISPR réutilisé pour réprimer l'activation des défenses contre le stress oxydatif dans E. coli et S. enterica, conduisant ainsi à une sortie améliorée du promoteur sensible aux stimuli électriques (Fig 4).

Lorsqu'elles sont placées dans le contexte des gradients de signaux spatio-temporels complexes à l'interface bioélectronique, les cellules avec des défenses réprimées contre le stress oxydatif ont affiché des réponses plus alignées par rapport aux gradients de signaux externes (Fig. 5).

Ce concept consistant à faire taire certains éléments du génome afin de maintenir une meilleure congruence avec les environnements externes est inspiré de la nature et se retrouve également dans l'embryogenèse et la levure (Yu et al., 2008 ; Paulsen et al., 2011).

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