In un remoto villaggio, un operatore umanitario punge la punta del dito di un bambino malaticcio, e come la maggior parte dei campioni di sangue degli altri bambini, questo fa diventare gialla una striscia reattiva. È così che un giorno un test sperimentale sulla malnutrizione realizzato con le interiora batteriche potrebbe rivelare carenze diffuse di zinco accusate di circa mezzo milione di morti all'anno.

Queste interiora includono plasmidi, che sono anelli di DNA. Non sono gli stessi filamenti di DNA dietro la riproduzione e la costruzione cellulare, ma funzionano invece come nano-organi con programmi genetici che normalmente guidano i processi delle cellule batteriche. In uno studio condotto dal Georgia Institute of Technology, i ricercatori hanno progettato i propri plasmidi per dirigere altre parti estratte dai batteri per far funzionare l'analisi del sangue.

La nuova tecnologia ha mostrato un alto potenziale come base per un economico, test di malnutrizione facile per l'uso sul campo che potrebbe essere ampliato per includere molti nutrienti vitali e altri indicatori di salute.

Il nuovo, test sperimentale viene liofilizzato fino a ottenere una polvere che viene mantenuta a temperature quotidiane, potrebbe essere letto sul campo, e può essere adatto per un'analisi precisa con un'app per smartphone applicabile. Potrebbe superare i travagli clinici e logistici di altri test, compreso il trasporto refrigerato al campo o al laboratorio, così come il tempo perso.

Il test non solo rileva lo zinco ma ne quantifica anche i livelli clinicamente rilevanti, che è necessario per rilevare la malnutrizione ed è una delle principali innovazioni del nuovo test. Le agenzie umanitarie potrebbero utilizzare una versione sul campo del test per ottenere informazioni immediate e influenzare rapidamente le decisioni politiche sugli interventi nutrizionali.

fame nascosta

Due miliardi di persone nel mondo soffrono di carenze di micronutrienti, che mietono milioni di vite ogni anno, secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie. La sola carenza di zinco è stata accusata di più di 450, 000 morti nel 2009, secondo uno studio sull'European Journal of Clinical Nutrition.

Ma individuare la malnutrizione è difficile.

"Oggi nel mondo in via di sviluppo, molte persone possono assumere calorie a sufficienza ma perdere molti nutrienti. Puoi guardare qualcuno e dire se sta assumendo abbastanza calorie ma non se sta assumendo quantità sufficienti di nutrienti importanti per lo sviluppo, " ha detto Mark Styczynski, che ha guidato lo studio ed è professore associato presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech.

"L'impatto è maggiore sulle madri in gravidanza e sui bambini di età inferiore ai 5 anni, che è quando hanno la più alta mortalità, " Egli ha detto.

Il gruppo di ricerca, che includeva collaboratori della Northwestern University, hanno pubblicato il loro studio sulla rivista Progressi scientifici il 25 settembre, 2019. La ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health, la Fondazione Nazionale della Scienza, il Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica Militare, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa, la Fondazione David e Lucille Packard, e il programma per insegnanti e studiosi di Camille Dreyfus.

Piccolo è enorme

L'ingegneria con le interiora batteriche ha almeno 25 anni, con l'accelerazione della ricerca nell'ultimo decennio. Ma questo nuovo test rileva piccole molecole, come zinco o iodio, un'altra grande innovazione.

La quantificazione degli ioni zinco in questo particolare studio è stata la prova del concetto per i piani per misurare molte piccole molecole rilevanti per i test sul campo. I ricercatori potrebbero espandere rapidamente il test per valutare i livelli dei sei nutrienti vitali a piccole molecole, micronutrienti, che sono molto rilevanti per il lavoro sul campo nutrizionale.

"Potremmo essere in grado di eseguire ragionevolmente rapidamente nuovi test per il ferro, B12, folato, iodio, e vitamina A, "Styczynski ha detto. "Potremmo anche quantificare molecole più grandi come il DNA e le proteine ​​per aiutare a capire quanto sia grave un'epidemia virale".

"Rilevare la presenza o l'assenza di qualcosa come l'Ebola o la gravidanza è importante. Ma essere in grado di dire quanto di qualcosa hai, come un nutriente o un virus, senza dover trasportare attrezzature attraverso il campo per farlo è mancato. La capacità di farlo potrebbe aprire molte porte nella diagnostica e nel trattamento, " Disse Styczynski.

Batteri sventratori

La facilità d'uso del test sperimentale dello zinco è in netto contrasto con le fatiche richieste per ingegnerizzarlo. I ricercatori hanno iniziato utilizzando batteri vivi che hanno cambiato colore in reazione allo zinco, ma quell'approccio ha incontrato degli ostacoli.

"Il test è durato troppo a lungo, e il volume di sangue e batteri di cui avremmo bisogno non era chiaro, "Styczynski ha detto. "Quindi, siamo andati senza cellulare. Prendi i batteri e rimuovi l'esterno e il genoma, il DNA principale, e ti rimane questa ricca miscela di parti fortemente reattive, a cui puoi aggiungere il tuo programma genetico sui plasmidi."

Gli approcci cell-free consentono di dosare le interiora batteriche come i composti in una reazione chimica, rendere il test prevedibile, affidabile, e adatto alla standardizzazione. I ricercatori hanno costruito due plasmidi per guidare i processi del test.

"Uno ha i geni presi da E. coli per un enzima che scompone un grosso zucchero in zuccheri più piccoli. L'altro controlla la quantità di un gene regolatore che viene attivato in risposta ai livelli di zinco, " Disse Styczynski.

Diventando viola

Il test utilizza una molecola segnale che è in parte un grosso zucchero e inizia in giallo, ma una volta che il plasmide produce un enzima che scinde lo zucchero, la molecola diventa viola. I livelli di zinco regolano la quantità di enzima prodotta:più zinco significa più enzima e più viola. Se il test rimane giallo, lo zinco è pericolosamente basso.

Quando testato nel siero, cioè sangue, la sua ricca biologia ingombra la reazione, e nel mondo reale, quel disordine differisce da persona a persona e distorcerebbe gli schemi di colori da paziente a paziente.

I ricercatori hanno risolto questo problema con un trucco chimico per creare un sistema di calibrazione che scorre con quell'inclinazione. Per la prova vera e propria, lo zinco regolava il modo in cui i plasmidi alterano il colore, ma il primo autore dello studio, Monica McNerney, capovolto le cose per il calibratore.

Per fare i suoi punti di riferimento, ha massimizzato i livelli di zinco e ha variato i livelli dei plasmidi punto per punto, risultando in una scala di colori.

Sia il test che i punti di calibrazione variati dal plasmide hanno ricevuto il siero da testare, e il disordine ha spostato il test e i punti di calibrazione in modo identico. Il colore modificato del test potrebbe essere accuratamente confrontato con i colori dei punti di calibrazione per accertare i livelli di zinco.

I colori sono nella gamma visibile, non fluorescente, quindi non richiedono alcun dispositivo per leggere. La velocità del cambiamento di colore potrebbe rivelare maggiori dettagli sui livelli di nutrienti, magari tramite un'analisi del video dello smartphone ripreso durante il test.