Udvinding af bakteriedele for at bygge døgnet rundt biosensorer

Forestil dig en Fitbit, der måler meget mere end trin, hjerterytme, og forbrændte kalorier. Den sporer løbende alle de indikatorer for fysiologisk sundhed, der i øjeblikket kræver dyre og tidskrævende analyser af blodplasma. Enheden er billig, pålidelig, og drevet af de samme proteiner, som vores kroppe producerer hele dagen, hver dag. Selvom det lyder som et langt ude koncept efter nutidens standarder, James Galagan, en biomedicinsk ingeniør ved Boston University, siger, at forskning udført i hans laboratorium kunne fremskynde denne enhed fra tegnebrættet til vores daglige liv.

Et team af forskere fra Galagans BU-laboratorium og University of Bordeaux blev inspireret af den ene kommercielt succesrige biometriske enhed, der overvåger en fysiologisk funktion døgnet rundt:den kontinuerlige glukosemonitor, hvis centrale opgave udføres af et protein opnået fra en mikrobe, der fornemmer glukose.

"Der er potentielt millioner af lignende proteiner, " siger teamleder Galagan, en BU College of Engineering lektor i biomedicinsk teknik. "De kan fornemme næsten alt, der påvirker vores helbred. En primær grund til, at vi ikke har flere sensorer som glukosesensoren, er, at de proteiner, der er nødvendige for at lave disse sensorer, ikke er blevet identificeret."

Så, Galagans hold, som omfatter BU College of Engineering fakultetsmedlemmer Mark Grinstaff, Allison Dennis, og Catherine Klapperich, satte sig for at finde et par stykker. Deres resultater, beskrevet i et papir udgivet i Naturkommunikation , brugte en ny screeningstilgang til at identificere den første kendte bakterieafledte sensor til påvisning af progesteron, et kvindeligt hormon, der spiller en afgørende rolle i reproduktionen. Holdet udviklede derefter teknologi, der oversatte sensorens detektionsmuligheder til en optisk udgang, skabe den første realtid, optisk og reversibel progesteronsensor.

Sensorens reversibilitet, siger Galagan, gør det muligt at generere kontinuerlige målinger, efterhånden som hormonets niveau stiger og falder i kroppen, svarende til glukosesensoren. Det adskiller også sensoren fra eksisterende antistofbaserede metoder til måling af progesteron, som kun giver en måling fra et enkelt tidspunkt.

I en test med kunstig urin, forskerne fandt ud af, at sensoren, som kan udstyres med en billig og bærbar elektronisk læser til point-of-care applikationer, kunne påvise progesteron med en specificitet, der er tilstrækkelig til klinisk brug. Alt dette tyder på, at det kunne være velegnet til hjemmebrug, erstatter mange laboratoriebaserede tests for progesteronmålinger, som er nødvendige under processen med in vitro fertilisering.

Studiets store takeaway, siger Galagan, er, at det er et "første principbevis på, at vi kunne tage en organisme, identificere et nyt sanseprotein, isolere dette protein fra bakterien, og konstruer den til en sensorenhed, der er anvendelig til point-of-care-brug. Så vidt vi ved, det er aldrig blevet gjort før." Han understreger, at den nyudviklede tilgang ikke bruger bakterierne som en sensor. det udvinder bakterierne for proteindele, isolerer disse dele, og derefter forvandler dem til sensorer, der kan bruges til enhedskonstruktion.

"Indtil nu, bærbare teknologier har primært fokuseret på makro [indikatorer] for sundhed, såsom puls, blodtryk, etc., siger Kenneth Lutchen, dekan for BU's Ingeniørhøjskole. "Men vi har desperat brug for metoder til at forudsige sygdomsfremkomst i god tid, før de skaber farlige ændringer i sådanne foranstaltninger. Dr. Galagan og kolleger har vist principielle beviser for at give realtidsovervågning af mikrobielle indikatorer for sundhedstilstand på en måde, der radikalt kan ændre vores evne til at engagere sig i forudsigelse, hjemme telemedicin. I princippet, de kan give specifik og følsom tidlig indsigt i sygdomsfremkomst, hvilket fører til tidlig intervention, så livskvaliteten forbedres, samtidig med at sundhedsomkostningerne reduceres dramatisk."

Papiret, hvis teknologi for nylig blev fremvist ved kickoff-symposiet for det nye BU Precision Diagnostics Center, giver et grundlag for at udvikle mange flere sensorenheder, baseret på samme klasse af proteiner. Forskerne bygger i øjeblikket på dette grundlag - udvikler teknologi til at immobilisere og implementere sådanne sensorer, og arbejder på måder at konvertere dets detektionsmuligheder til et direkte elektronisk signal.

"At vælge biologi til teknologiske formål kræver typisk at oversætte biologiske signaler til en strøm af fotoner eller elektroner, " siger Galagan. "Vi arbejder på det nu."

"Det fantastiske ved dette er forskningens tværfaglige karakter, " siger Klapperich, direktør for BU's Precision Diagnostics Center. "Vi har folk, der laver beregningsarbejde, molekylært arbejde, og folk fra materialevidenskab, der bygger sensorerne. At arbejde med så mange mennesker fra forskellige dele af universitetet er spændende."

Siden deres gennembrud blev rapporteret i Naturkommunikation , forskerne har allerede udviklet en anden generations tilgang, der giver dem mulighed for at screene for dele fra komplekse mikrobielle prøver, snarere end fra en enkelt dyrket bakterie. Den "meta-genomiske" screening kan søge ting som jord, eller vores eget mikrobiom, i det væsentlige at give adgang til den fulde mangfoldighed af mikrober for forskere, der leder efter sansedele. Og fordi tilgangen identificerer et specifikt gen såvel som et sanseprotein, det gør det muligt for forskere at modificere transkriptionsfaktoren på måder, der kunne gøre den mere kraftfuld eller få evnen til at fornemme andre kemiske forbindelser, såsom kortisol eller østrogen.

"Lige nu, vi arbejder med hormoner, " siger Klapperich. "Men det her kan fungere med alle mulige ting. Jeg kan ikke vente, indtil vi får sat det her op."

Den store udfordring forude, Galagan siger, er indsættelsen af ​​sådanne sensorer til at overvåge vores sundhed og miljø. Hans team håber at bruge teknologi, der bygges i laboratorier rundt om i verden, til at udvikle en bred vifte af applikationer:fra sansning af korals sundhed til overvågning af fysiologiske variabler fra sved og interstitiel væske med en ikke-invasiv eller minimalt invasiv bærbar enhed.

"Dette er virkelig kun toppen af ​​isbjerget, " siger Galagan. "Vi er nu positioneret til at udvinde den fulde mangfoldighed af mikrober for at konstruere sensorer til en bred vifte af sundhed, bioteknologiske, og forbrugerapplikationer. Vi håber, at disse sensorer en dag vil være tilgængelige på hylderne ved siden af ​​den kontinuerlige glukosemonitor."