Test for livstruende næringsstofunderskud er lavet af bakteriers indvolde

I en afsidesliggende landsby, en nødhjælpsarbejder stikker et sygt lille barns fingerspids, og ligesom de fleste andre børns blodprøver, denne bliver en teststrimmel gul. Det er sådan en eksperimentel underernæringstest lavet med bakteriel indvolde kunne fungere en dag for at afsløre udbredte zinkmangel, der skyldtes omkring en halv million dødsfald årligt.

Disse indmad omfatter plasmider, som er sløjfer af DNA. De er ikke de samme DNA-strenge bag reproduktion og cellekonstruktion, men fungerer i stedet som nano-organer med genetiske programmer, der normalt styrer bakterielle celleprocesser. I en undersøgelse ledet af Georgia Institute of Technology, forskere konstruerede deres egne plasmider til at lede andre dele udvundet fra bakterier for at få blodprøven til at virke.

Den nye teknologi viste et stort potentiale som grundlag for en billig, let underernæringstest til brug i marken, der kunne udvides til at omfatte mange vitale næringsstoffer og andre sundhedsindikatorer.

Den nye, eksperimentel test frysetørres til et pulver, der holdes ved daglige temperaturer, kunne læses i marken, og kan være egnet til præcis analyse med en anvendelig smartphone-app. Det kunne overvinde de kliniske og logistiske problemer ved andre tests, inklusive køletransport til marken eller tilbage til et laboratorium, samt tabt tid.

Testen påviser ikke kun zink, men kvantificerer også dets klinisk relevante niveauer, som er nødvendig for at opdage fejlernæring og er en af ​​den nye tests vigtigste nyskabelser. Hjælpeorganisationer kunne bruge en feltversion af testen til at få øjeblikkelig information for hurtigt at påvirke politiske beslutninger om ernæringsinterventioner.

Skjult sult

To milliarder mennesker verden over lider af mikronæringsstofmangel, som kræver millioner af liv hvert år, ifølge Centers for Disease Control and Prevention. Zinkmangel alene fik skylden for mere end 450, 000 dødsfald i 2009, ifølge en undersøgelse i European Journal of Clinical Nutrition.

Men det er svært at opdage underernæring.

"I udviklingslandene i dag, mange mennesker får nok kalorier, men går glip af en masse næringsstoffer. Du kan se på nogen og se, om de får nok kalorier, men ikke om de får tilstrækkelige mængder af udviklingsmæssigt vigtige næringsstoffer, " sagde Mark Styczynski, der ledede undersøgelsen og er lektor ved Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering.

"Påvirkningen er størst på gravide mødre og børn under 5 år, det er når de har den højeste dødelighed, " han sagde.

Forskerholdet, som omfattede samarbejdspartnere fra Northwestern University, publicerede deres undersøgelse i tidsskriftet Videnskabens fremskridt den 25. september, 2019. Forskningen blev finansieret af National Institutes of Health, National Science Foundation, Air Force Research Laboratory, Defence Advanced Research Projects Agency, David og Lucille Packard Foundation, og Camille Dreyfus Teacher-Scholar Program.

Lille er enorm

Engineering med bakteriel indmad er mindst 25 år gammel, med forskning i acceleration i det seneste årti. Men denne nye test markerer små molekyler, som zink eller jod, endnu en stor innovation.

Kvantificeringen af ​​zinkioner i denne særlige undersøgelse var proof of concept for planer om at måle mange små molekyler, der er relevante for in-field tests. Forskerne kunne hurtigt udvide testen til at vurdere niveauer af de seks vitale små molekyle næringsstoffer, mikronæringsstoffer, som er yderst relevante for ernæringsmæssigt feltarbejde.

"Vi er muligvis i stand til rimeligt hurtigt at lave nye test for jern, B12, folat, jod, og vitamin A, Styczynski sagde. "Vi kunne også kvantificere større molekyler som DNA og proteiner for at hjælpe med at finde ud af, hvor slemt et viralt udbrud er."

"Det er vigtigt at opdage tilstedeværelsen eller fraværet af noget som ebola eller graviditet. Men at kunne sige, hvor meget af noget du har, som et næringsstof eller en virus, uden at skulle trække udstyr gennem marken for at gøre det har manglet. Evnen til at gøre det kunne åbne mange døre inden for diagnostik og behandling, " sagde Styczynski.

Fjernelse af tarmbakterier

Den eksperimentelle zinktests brugervenlighed står i skarp kontrast til det arbejde, der kræves for at konstruere den. Forskerne startede med at bruge levende bakterier, der ændrede farver som reaktion på zink, men den tilgang ramte hager.

"Testen tog for lang tid, og mængden af ​​blod og bakterier, vi skulle bruge, var ikke klar, " sagde Styczynski. "Så, vi gik cellefri. Du tager bakterierne og fjerner ydersiden og genomet - hoved-DNA'et - og du står tilbage med denne rige blanding af stærkt reaktive dele, hvortil du kan tilføje dit eget genetiske program på plasmiderne."

Cellefri tilgange gør det muligt at dosere bakteriel indvolde som forbindelser i en kemisk reaktion, gør testen forudsigelig, pålidelig, og egnet til standardisering. Forskerne byggede to plasmider til at drive testens processer.

"Den ene har generne taget fra E. coli for et enzym, der nedbryder et stort sukker til mindre sukkerarter. Det andet styrer, hvor meget af et regulatorgen, der tændes som reaktion på niveauer af zink, " sagde Styczynski.

Bliver lilla

Testen bruger et signalmolekyle, der delvist er et stort sukker og starter gult, men når først plasmidet laver et enzym, der spalter sukkeret, molekylet bliver lilla. Zinkniveauet regulerer, hvor meget enzym der laves - mere zink betyder mere enzym og mere lilla. Hvis testen forbliver gul, zink er farligt lavt.

Når testet i serum, dvs blod, dens rige biologi roder reaktionen, og i den virkelige verden, at rod er forskelligt fra person til person og vil skævvride farveskemaer fra patient til patient.

Det løste forskerne med et kemisk trick for at lave et kalibreringssystem, der flyder med den skævhed. Til selve testen, zinken regulerede, hvordan plasmiderne ændrer farven, men undersøgelsens første forfatter, Monica McNerney, vendte ting til kalibratoren.

For at gøre dets referencepunkter, hun maksimerede zinkniveauerne og varierede niveauerne af plasmider punkt for punkt, resulterer i en skala af farver.

Testen og de plasmidvarierede kalibreringspunkter modtog begge serumet, der skulle testes, og rodet flyttede testen og kalibreringspunkterne på en identisk måde. Den ændrede farve af testen kunne sammenlignes nøjagtigt med farverne på kalibreringspunkterne for at fastslå zinkniveauer.

Farverne er i det synlige område, ikke fluorescerende, så de kræver ingen enhed til at læse. Farveændringens hastighed kunne afsløre flere detaljer om næringsstofniveauer, måske via en analyse af smartphone-video taget af testen.