Ученые из Университета Торонто (U of T) и Аризонского государственного университета (ASU) разработали первую прямую генную цепь для интерфейса электрода, объединив бесклеточную синтетическую биологию с современными наноструктурированными электродами..
Результаты исследования были опубликованы сегодня в журнале Nature Chemistry.
Вдохновленные концепциями из области электроники с ее схемами и логическими вентилями, синтетические биологи стремились перепрограммировать биологические системы для выполнения искусственных функций в медицинских, экологических и фармацевтических целях. Эта новая работа продвигает область синтетической биологии к биогибридным системам, которые могут использовать преимущества каждой дисциплины.
«Это первый пример того, как генная цепь напрямую связана с электродами, и это захватывающий инструмент для преобразования биологической информации в электронный сигнал», - сказал Кит Парди, доцент кафедры фармацевтических наук. на фармацевтическом факультете U of T's Leslie Dan.
Междисциплинарные усилия по созданию новой системы объединили опыт в области бесклеточной синтетической биологии из лаборатории Парди (U of T), электрохимии из лаборатории Kelley (U of T) и разработки сенсоров из лаборатории Green (АСУ).
Преодоление практических ограничений оптической сигнализации
Парди, чья исследовательская группа специализируется на разработке бесклеточных диагностических технологий, которые можно безопасно использовать за пределами лаборатории, привлек к себе всеобщее внимание в 2016 году, когда он и его сотрудники выпустили платформу для быстрого, портативного и недорогого обнаружения вирусов. вирус Зика с использованием бумажных синтетических генных сетей.
Обеспечение возможности обнаружения вируса Зика за пределами клиники и в момент необходимости было важным шагом вперед, но подход основывался на обычной оптической сигнализации - изменении цвета, указывающем на то, что вирус был обнаружен. Это создало проблему для практической реализации в таких странах, как Бразилия, где вирусы с похожими симптомами требуют, чтобы медицинские работники проводили скрининг на наличие нескольких различных патогенов, чтобы правильно определить причину инфекции пациента.
Это подчеркнуло необходимость в портативной системе, которая могла бы вмещать множество датчиков в одном и том же диагностическом тесте, возможность, известная как мультиплексирование. Проблема заключалась в том, что мультиплексирование с сигнализацией на основе цвета нецелесообразно.
Как только вы выходите за пределы трех цветовых сигналов, у вас заканчивается полоса пропускания для однозначного обнаружения. Переход в электрохимическое пространство дает нам значительно больше пропускной способности для отчетов и сигналов. Теперь мы показали, что отдельные электрохимические сигналы могут работать в параллельно и без перекрестных помех, что является гораздо более многообещающим подходом для масштабирования», - сказал Парди.
Новая биогибридная система использует неоптические ферменты-репортеры, содержащиеся в 16 микролитрах жидкости, которые специально соединяются с микроузорчатыми электродами, размещенными на небольшом чипе длиной не более одного дюйма. Внутри этого чипа датчики на основе генных цепей отслеживают наличие определенных последовательностей нуклеиновых кислот, которые при активации запускают производство одного из ферментов-репортеров. Затем ферменты реагируют с репортерными последовательностями ДНК, которые вызывают электрохимическую реакцию на сенсорном чипе электрода.
Выявление генов устойчивости к антибиотикам
В качестве доказательства концепции команда применила новый подход к обнаружению генов устойчивости к колистиновым антибиотикам, которые недавно были идентифицированы у домашнего скота во всем мире и представляют серьезную угрозу для использования антибиотика в качестве последнего средства лечения инфекции. Были обнаружены четыре отдельных гена устойчивости, что продемонстрировало способность системы эффективно идентифицировать и сообщать о каждом гене независимо, а также в комбинации.
Для синтетических биологов этот новый подход представляет собой потенциальный технический скачок вперед. Традиционная синтетическая биология требует, чтобы логические вычисления были закодированы в ДНК цепи гена. Это может быть кропотливым делом, на создание сложных схем уходят месяцы или годы.
Что делает этот комбинированный подход настолько мощным, так это то, что лежащую в его основе связность выходов датчиков генной цепи можно перепрограммировать по желанию, просто изменив код на уровне программного обеспечения, а не на уровне ДНК. это гораздо сложнее и требует больше времени», - сказала Шана Келли, профессор кафедры фармацевтических наук фармацевтического факультета Университета Лесли Дэна, чья исследовательская группа специализируется на разработке высокочувствительных электрохимических сенсоров. По ее словам, объединение биологических датчиков с электронной логикой, памятью и элементами реагирования может преобразовать медицину, биотехнологии, академические исследования, безопасность пищевых продуктов и другие практические приложения.
Мощный набор инструментов для будущего
«Эта новая система позволяет нам одновременно обнаруживать множество различных сигналов, что очень важно для систем диагностики и мониторинга», - сказал соавтор Александр А. Грин, доцент Института биодизайна Университета штата Аризона. «Электронный выход означает, что в будущем это могут быть легко взаимодействующие технологии, такие как смартфоны и распределенные массивы датчиков, которые можно будет подносить непосредственно к постели пациента».
В Торонто Парди и его исследовательская группа рады видеть, куда другие специалисты в области синтетической биологии приведут систему. «По сути, мы создали новый набор инструментов и открыли новое место для передачи сигналов. Приложения синтетической биологии ограничены на этапе создания отчетов, и это было серьезной проблемой. Мы думаем, что с помощью этого нового комбинированного подхода мы действительно можем ускорить поле и его способность улучшать жизнь».