第一单位：上海交通大学
刺激响应水凝胶材料能够对温度、光线、电磁场或pH值变化响应，以用作药物控制释放、响应性涂料、形状记忆材料以及分析传感平台，在法医分析、医学诊断和环境监测等多个领域备受关注。然而，这种广泛的适用性意味着需要对水凝胶系统进行重新设计，这无疑增加了设计的复杂性。此外，要实现对外界刺激的快速敏感响应通常需要高浓度的触发器，这限制了水凝胶系统在生物传感和诊断领域中的应用。
DNA基水凝胶是一种交联亲水性聚合物，其中DNA作为结构骨架或连接其他合成聚合物的交联剂。DNA序列可以调控具有高特异性材料的响应性，并且可以被整合到合成聚合物中或自组装形成响应性水凝胶，应用于生物传感、药物释放和治疗等领域。基于DNA的水凝胶具有稳定性、灵活性、精确的可编程性、刺激响应性等优点。但是，交联聚合物必须通过刺激来调控驱动，通常是通过DNA置换反应、适配体靶向结合或酶催化。
第一作者：Max A. English, Luis R. Soenksen, Raphael V. Gayet, Helena de Puig
通讯作者：James J. Collins
通讯单位：美国麻省理工学院
有鉴于此，美国麻省理工学院James J. Collins等人在Science发表文章，报道了一种CRISPR (clustered regularlyinterspaced short palindromic repeats) 关联核酸酶控制的DNA水凝胶，该水凝胶的功能可根据用户自定义的目标核酸序列进行调整。这类刺激响应材料可用于小分子的可控释放、电子设备的控制以及与微流体设备结合实现病毒的检测。谭蔚泓院士等人对此进行点评和展望。
图1. DNA水凝胶
James J. Collins等人创造性地将CRISPR-Cas (CRISPR-associated)系统整合到DNA水凝胶中，提高了反应灵敏度。具体来说，CRISPR-Cas12a技术包含一个目标DNA效应物核酸酶Cas12a以及互补的向导RNA (gRNA)间隔序列。在该系统中，碱基配对成功能够激活Cas12a核酸酶，进而切割目标双链DNA(dsDNA)或任意单链DNA(ssDNA)。通过在水凝胶系统内部构建Cas12a-gRNA和目标dsDNA匹配对，可以获得一个智能、通用、多功能、灵敏的水凝胶系统。
图2. cas12a调控的PEG水凝胶用于小分子和酶的可控释放
该设计是高度模块化的。CRISPR关联酶可以控制含有DNA组件(包括切换器和执行器)水凝胶的特性。其中切换器由Cas12a-gRNA复合物和目标dsDNA链组成，通过gRNA和目标dsDNA之间的配对来监测开放和关闭状态。执行器包含ssDNA交联剂，能够调整水凝胶的性质。模块化的特点可以降低水凝胶系统设计的复杂性，并有利于开发新的功能。
该水凝胶结构可以对任何用户定义的目标DNA序列作出响应，而无需重新设计不同的凝胶结构。且该水凝胶的驱动不需要高浓度的触发器，这归功于CRISPR-Cas12a系统能够高效靶向切割。James J. Collins等人已经将该CRISPR响应水凝胶应用于几类功能响应体系。研究发现，该水凝胶系统对小分子、纳米颗粒和活细胞可控释放具有很高的敏感度和选择性；研究人员还将一种基于DNA的水凝胶附着在电极表面，用作保险丝；作者又将该响应性凝胶与微流控芯片结合，从而设计出一种用于快速、灵敏的病毒检测工具。
图3. 可编程的用于NPs和活细胞可控释放的PA-DNA水凝胶
这些属性使得CRISPR关联水凝胶系统可成为便携、快速的定量检测平台，用于检测危险病毒病原体的特异性菌株，鉴别致病菌，并在体外鉴定无细胞的肿瘤DNA突变。生物相容性响应性材料的应用可以实现对血液循环系统的控制，同时可以作为具有高特异性和体内响应性的智能药物传递系统。此外，如果将这种水凝胶将与CRISPR-Cas系统相结合，用于控制基因组编辑相关的应用，则有望提高其精度、效率和时空可控性。
图4. 基于水凝胶-微流控设备(μPAD)的双重视觉诊断应用程序
参考文献：
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
