Magnetically inducible CRISPR/Cas9 for genome engineering

Abstract

Magnetic nanoparticles have been one of the most efficient tools in biomedical applications because of the ability that can be remotely controlled. When magnetic nanoparticles are combined with external magnetic field, these nanoparticles can exert force that can be applied in receptor clustering or pulling. Furthermore, in the presence of alternative magnetic field, nanoparticle can generate heat because of the Brownian and Neel spin relaxation. By combining hyperthermia property of magnetic nanoparticle with CRISPR/Cas9 system, nanoparticle can become an actuator for precise genome engineering. In this study, three different thermo responsive linkers were synthesized on the surface of nanoparticle to activate CRISPR/Cas9 in response to the alternative magnetic field. And by comparing long term stability at 37 °C cell culture temperature, rationally designed magnetic nanoparticle was suggested that can be used in in vivo gene engineering applications.

자성 나노입자는 외부자기장의 존재하에 비침습적으로 반응할 수 있다는 성질을 가지며, 이로 인해서 생명활동을 조절하고자 하는 연구 분야에서 다양하게 응용되고 있다. 자성 나노입자가 나타내는 여러가지 성질 중에서도, 자성 나노입자는 교류자기장과 결합하였을 때 열을 발생시킬 수 있으며 이를 이용한 연구가 온열치료 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는, 나노입자에 교류자기장을 가했을 때 방출되어 나오는 열을 통해서 유전자의 발현을 시공간적으로 조절하고자 하며, 특히 유전공학에서 각광 받고 있는 CRISPR/Cas9 모델에 적용하여 이를 보여주고자 한다. 나노입자로부터 방출된 열은 나노입자 표면에 존재하는 열에민감한 링커로 전달되고, 입자로부터 방출된 열로 인해서 표면에 결합하고 있던 링커가 끊어짐으로써 유전자 발현을 조절할 수 있는 물질을 방출하게 된다. 이 때, 열에 민감한 링커를 사용하여 유전자의 발현을 미세하게 조절하기 위해서는, 동물의 체온 조건에서는 장시간 동안 끊어지지 않고 비활성 상태를 유지하다가 자극이 들어왔을 때에만 활성상태로 전홛되어야 한다. 따라서. 세 가지 다른 링커에 결합한 나노입자를 각각 합성하고, CRISPR/Cas9 모델에서 각각의 나노입자가 가진 가능성을 타진함으로써 자기적 성질을 통해 유전자의 발현을 조절할 수 있음을 제시하고자 한다.