Forskere udvikler en elektrokemisk platform til cellefri syntetisk biologi

Forskere ved University of Toronto (U of T) og Arizona State University (ASU) har udviklet det første direkte genkredsløb til elektrodegrænseflade ved at kombinere cellefri syntetisk biologi med state-of-the-art nanostrukturerede elektroder.

Undersøgelsesresultater blev offentliggjort i dag i Naturkemi .

Længe inspireret af koncepter fra elektronikområdet, med dets kredsløb og logiske porte, syntetiske biologer har forsøgt at omprogrammere biologiske systemer til at udføre kunstige funktioner til medicinske, miljø, og farmaceutiske applikationer. Dette nye arbejde flytter inden for syntetisk biologi mod biohybride systemer, der kan drage fordel af fordelene fra hver disciplin.

"Dette er det første eksempel på et genkredsløb, der er direkte koblet til elektroder, og er et spændende værktøj til konvertering af biologisk information til et elektronisk signal, " sagde Keith Pardee, adjunkt ved Institut for Farmaceutiske Videnskaber ved U of T's Leslie Dan Farmaceutiske Fakultet.

Den tværfaglige indsats for at skabe det nye system samlede ekspertise inden for cellefri syntetisk biologi fra Pardee lab (U of T), elektrokemi fra Kelley lab (U af T) og sensordesign fra Green lab (ASU).

Overvindelse af praktiske grænser for optisk signalering

Pardee, hvis forskergruppe har specialiseret sig i at udvikle cellefri diagnostiske teknologier, der kan bruges sikkert uden for laboratoriet, fik bred opmærksomhed i 2016, da han og samarbejdspartnere udgav en platform for hurtige, bærbar og billig påvisning af Zika-virussen ved hjælp af papirbaserede syntetiske gennetværk.

At bringe kapaciteten til at opdage Zika-virus uden for klinikken og til det nødvendige punkt var et afgørende skridt fremad, men tilgangen var afhængig af konventionel optisk signalering - en farveændring for at indikere, at virussen var blevet opdaget. Dette udgjorde en udfordring for praktisk implementering i lande som Brasilien, hvor vira med lignende symptomer kræver, at sundhedsudbydere screener for flere forskellige patogener for korrekt at identificere årsagen til en patients infektion.

Dette fremhævede behovet for et bærbart system, der kunne rumme mange sensorer i den samme diagnostiske test, en funktion kendt som multipleksing. Udfordringen var, at multipleksing med farvebaseret signalering ikke er praktisk.

"Når du kommer ud over tre farvesignaler, du løber tør for båndbredde til entydig detektering. At flytte ind i det elektrokemiske rum giver os væsentligt mere båndbredde til rapportering og signalering. Vi har nu vist, at distinkte elektrokemiske signaler kan fungere parallelt og uden krydstale, hvilket er en meget mere lovende tilgang til opskalering, " sagde Pardee.

Det nye biohybridsystem bruger ikke-optiske reporterenzymer indeholdt i 16 mikroliter væske, som parrer specifikt med mikromønstrede elektroder, der er hostet på en lille chip, der ikke er mere end en tomme i længden. Inden i denne chip, genkredsløbsbaserede sensorer overvåger tilstedeværelsen af ​​specifikke nukleinsyresekvenser, hvilken, når den er aktiveret, udløse produktionen af ​​en af ​​et panel af reporterenzymer. Enzymerne reagerer derefter med reporter-DNA-sekvenser, der udløser en elektrokemisk reaktion på elektrodesensorchippen.

Påvisning af antibiotikaresistensgener

Som et bevis på konceptet, holdet anvendte den nye tilgang til at påvise colistin-antibiotikaresistensgener, som for nylig er blevet identificeret i husdyr globalt og repræsenterer en alvorlig trussel mod brugen af ​​antibiotika som en sidste udvej til behandling af infektion. Fire separate resistensgener blev påvist, demonstrerer systemets evne til effektivt at identificere og rapportere hvert gen uafhængigt og også i kombination.

For syntetiske biologer, denne nye tilgang repræsenterer et potentielt teknisk spring fremad. Konventionel syntetisk biologi kræver, at logiske beregninger kodes ind i genkredsløbets DNA. Dette kan være besværligt, det tager måneder til år at bygge komplekse kredsløb.

"Det, der gør denne kombinerede tilgang så kraftfuld, er, at den underliggende forbindelse af genkredsløbssensorens output kan omprogrammeres efter behag ved blot at ændre koden på softwareniveauet i stedet for på DNA-niveauet, hvilket er meget vanskeligere og tidskrævende, " sagde Shana Kelley, universitetsprofessor ved Institut for Farmaceutiske Videnskaber ved U of T's Leslie Dan Farmaceutiske Fakultet, hvis forskergruppe har specialiseret sig i udvikling af højfølsomme elektrokemiske sensorer. At bringe biologi-baseret sansning sammen med elektronisk-baseret logik, hukommelse og respons elementer, har potentialet til at transformere medicin, biotek, academic research, food safety, and other practical applications, hun sagde.

A powerful toolkit for the future

"This new system enables us to detect many different signals simultaneously, 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."