Scienziati dell'Università di Toronto (U of T) e dell'Arizona State University (ASU) hanno sviluppato il primo circuito genetico diretto all'interfaccia elettrodi combinando la biologia sintetica priva di cellule con elettrodi nanostrutturati all'avanguardia.

I risultati dello studio sono stati pubblicati oggi in Chimica della natura .

A lungo ispirato da concetti del campo dell'elettronica, con i suoi circuiti e le sue porte logiche, i biologi sintetici hanno cercato di riprogrammare i sistemi biologici per svolgere funzioni artificiali per scopi medici, ambientale, e applicazioni farmaceutiche. Questo nuovo lavoro sposta il campo della biologia sintetica verso sistemi bioibridi che possono trarre vantaggio da ogni disciplina.

"Questo è il primo esempio di un circuito genetico direttamente accoppiato agli elettrodi, ed è uno strumento entusiasmante per la conversione di informazioni biologiche in un segnale elettronico, " ha detto Keith Pardee, assistente professore presso il Dipartimento di Scienze Farmaceutiche presso la Facoltà di Farmacia di Leslie Dan di U of T.

Lo sforzo interdisciplinare per creare il nuovo sistema ha riunito le competenze nella biologia sintetica senza cellule del laboratorio Pardee (U of T), elettrochimica dal laboratorio Kelley (U of T) e progettazione del sensore dal laboratorio Green (ASU).

Superare i limiti pratici della segnalazione ottica

Pardee, il cui gruppo di ricerca è specializzato nello sviluppo di tecnologie diagnostiche senza cellule che possono essere utilizzate in sicurezza al di fuori del laboratorio, ha ricevuto ampia attenzione nel 2016 quando lui e i suoi collaboratori hanno rilasciato una piattaforma per il rapido, rilevamento portatile ea basso costo del virus Zika utilizzando reti di geni sintetici basati su carta.

Portare la capacità di rilevare il virus Zika al di fuori della clinica e al momento del bisogno è stato un passo avanti cruciale, ma l'approccio si basava sulla segnalazione ottica convenzionale, un cambiamento di colore per indicare che il virus era stato rilevato. Ciò ha rappresentato una sfida per l'implementazione pratica in paesi come il Brasile, dove i virus con sintomi simili richiedono agli operatori sanitari di eseguire lo screening di diversi agenti patogeni per identificare correttamente la causa dell'infezione di un paziente.

Ciò ha evidenziato la necessità di un sistema portatile che potesse ospitare molti sensori nello stesso test diagnostico, una capacità nota come multiplexing. La sfida era che il multiplexing con la segnalazione basata sul colore non è pratico.

"Una volta superati i tre segnali di colore, esaurisci la larghezza di banda per un rilevamento univoco. Spostarsi nello spazio elettrochimico ci offre una larghezza di banda significativamente maggiore per la segnalazione e la segnalazione. Abbiamo ora dimostrato che segnali elettrochimici distinti possono operare in parallelo e senza diafonia, che è un approccio molto più promettente per il ridimensionamento, " disse Pardeo.

Il nuovo sistema bioibrido utilizza enzimi reporter non ottici contenuti in 16 microlitri di liquido che si accoppiano specificamente con elettrodi micromodellati ospitati su un piccolo chip lungo non più di un pollice. All'interno di questo chip, sensori basati su circuiti genici monitorano la presenza di specifiche sequenze di acidi nucleici, quale, quando attivato, innescare la produzione di uno di un pannello degli enzimi reporter. Gli enzimi reagiscono quindi con sequenze di DNA reporter che attivano una risposta elettrochimica sul chip del sensore dell'elettrodo.

Rilevamento di geni di resistenza agli antibiotici

Come prova del concetto, il team ha applicato il nuovo approccio per rilevare i geni di resistenza agli antibiotici della colistina che sono stati recentemente identificati nel bestiame a livello globale e rappresentano una seria minaccia all'uso dell'antibiotico come trattamento di ultima istanza per l'infezione. Sono stati rilevati quattro geni di resistenza separati, dimostrando la capacità del sistema di identificare e riportare efficacemente ogni gene indipendentemente e anche in combinazione.

Per i biologi sintetici, questo nuovo approccio rappresenta un potenziale salto tecnico in avanti. La biologia sintetica convenzionale richiede che i calcoli logici siano codificati nel DNA del circuito genico. Questo può essere scrupoloso, impiegando mesi o anni per costruire circuiti complessi.

"Ciò che rende questo approccio combinato così potente è che la connettività sottostante degli output dei sensori del circuito genetico può essere riprogrammata a piacimento semplicemente modificando il codice a livello del software piuttosto che a livello del DNA, il che è molto più difficile e richiede tempo, "ha detto Shana Kelley, professore universitario nel Dipartimento di Scienze Farmaceutiche presso la Facoltà di Farmacia di Leslie Dan di U of T, il cui gruppo di ricerca è specializzato nello sviluppo di sensori elettrochimici ad alta sensibilità. Unendo il rilevamento basato sulla biologia con la logica basata sull'elettronica, memoria e elementi di risposta, ha il potenziale per trasformare la medicina, biotecnologia, ricerca accademica, la sicurezza alimentare, e altre applicazioni pratiche, lei disse.

Un potente toolkit per il futuro

"Questo nuovo sistema ci consente di rilevare molti segnali diversi contemporaneamente, which is essential for diagnostics and monitoring systems, " said co-author Alexander A. Green, assistant professor at the Biodesign Institute at Arizona State University. "The electronic output means that in the future it can be readily interfaced technologies like smartphones and distributed sensing arrays that could be brought directly to a patient's bedside."

In Toronto, Pardee and his research group are excited to see where others in the synthetic biology field will take the system. "We've essentially created a new set of tools and opened up a new venue for signaling. Synthetic biology applications are limited at the reporting step and this has been a significant challenge. With this new combined approach, we think we can really accelerate the field and its capacity to improve lives."