U di T, scienziati di ASU sviluppa in primo luogo il circuito diretto del gene

Scienziati all'università di Toronto (U di T) e l'Arizona State University (ASU) hanno sviluppato il primo circuito diretto del gene all'interfaccia dell'elettrodo combinando la biologia sintetica senza cellula con gli elettrodi nanostructured punta del progresso.

I risultati di studio sono stati pubblicati oggi in chimica della natura.

Lungamente ispirato dai concetti dal campo di elettronica, con i sui circuiti e circuiti logici, i biologi sintetici hanno cercato di riprogrammare i sistemi biologici per espletare le funzioni artificiali per le applicazioni mediche, ambientali e farmaceutiche. Questo lavoro recente avanza il campo di biologia sintetica verso i sistemi del biohybrid che possono approfittare dei vantaggi da ogni disciplina.

Ciò è il primo esempio di un circuito del gene direttamente che è accoppiato agli elettrodi ed è uno strumento emozionante per la conversione di informazioni biologiche in un segnale elettronico. Keith

Pardee, assistente universitario nel dipartimento delle scienze farmaceutiche a U della facoltà di Leslie Dan della t della farmacia

Lo sforzo interdisciplinare per creare il nuovo sistema ha riunito la competenza nella biologia sintetica senza cellula dal laboratorio di Pardee (U di T), elettrochimica dal laboratorio di Kelley (U di T) e sensore progetta dal laboratorio verde (ASU).

Superamento dei limiti pratici della segnalazione ottica

Pardee, di cui il gruppo di ricerca si specializza nello sviluppare le tecnologie diagnostiche senza cellula che possono essere usate sicuro fuori del laboratorio, ha ricevuto l'attenzione diffusa nel 2016 quando lui ed i collaboratori hanno rilasciato una piattaforma per rilevazione portatile ed a basso costo la di tempestivo, del virus di Zika facendo uso delle reti sintetiche cartacee del gene.

Portare la capacità di individuare il virus di Zika fuori della clinica e al punto-de-bisogno era un punto cruciale in avanti, ma l'approccio ha contato sulla segnalazione ottica convenzionale - un cambiamento a colori per indicare che il virus era stato individuato. Ciò ha posato una sfida per l'entrata in vigore pratica in paesi come il Brasile in cui i virus con i simili sintomi richiedono ai fornitori di cure mediche di schermare per vari agenti patogeni per identificare correttamente la causa dell'infezione di un paziente.

Ciò ha evidenziato l'esigenza di un sistema portatile che potrebbe accomodare molti sensori nello stesso test diagnostico, una capacità conosciuta come multiplexando. La sfida era che multiplexare con alla la segnalazione basata a colore non è pratica.

“Una volta che ottenete oltre tre segnali di colore, esaurite la larghezza di banda per rilevazione inequivocabile. Entrando nello spazio elettrochimico ci dà significantly more larghezza di banda per la segnalazione e segnalare. Ora abbiamo indicato che i segnali elettrochimici distinti possono funzionare parallelamente e senza interferenza, che è un molto più approccio di promessa per la operazione di disgaggio su,„ abbiamo detto Pardee.

Il nuovo sistema del biohybrid usa gli enzimi non ottici del reporter contenuti all'interno di 16 microlitres di liquido che accoppiano specificamente con gli elettrodi micropatterned ospitati su un piccolo chip non non più di un pollice di lunghezza. All'interno di questo chip, a sensori basati a gene riflettono la presenza di sequenze specifiche dell'acido nucleico, che, una volta attivate, avviano la produzione di una di un comitato degli enzimi del reporter. Gli enzimi poi reagiscono con il quel di sequenze del DNA del reporter provocato una risposta elettrochimica sul chip del sensore dell'elettrodo.

Rilevazione dei geni di resistenza a antibiotici

Come proof of concept, il gruppo ha applicato il nuovo approccio ad individuare i geni di resistenza a antibiotici di colistin che recentemente sono stati identificati in bestiame globalmente e rappresenta una grave minaccia all'uso dell'antibiotico come ultimo trattamento della località di soggiorno per l'infezione. Quattro geni di resistenza separati sono stati individuati, dimostranti la capacità del sistema efficacemente di identificare e riferire ogni gene indipendente ed anche in associazione.

Per i biologi sintetici, questo nuovo approccio rappresenta un salto tecnico potenziale in avanti. La biologia sintetica convenzionale richiede che i calcoli di logica siano codificati nel DNA del circuito del gene. Ciò può essere scrupolosa, richiedendo i mesi agli anni per sviluppare i circuiti complessi.

“Che cosa fa questo approccio combinato così potente è che la connettività di fondo degli output del sensore del circuito del gene può essere riprogrammata a volontà semplicemente modificando il codice al livello del software piuttosto che al livello del DNA che è molto più difficile e che richiede tempo,„ ha detto Shana Kelley, professore universitario nel dipartimento delle scienze farmaceutiche a U della facoltà di Leslie Dan della t della farmacia, di cui il gruppo di ricerca si specializza nello sviluppo dei sensori elettrochimici altamente sensibili. Portando alla la percezione basata a biologia insieme alla logica basata sull'elettronica, gli elementi di risposta e di memoria, ha il potenziale di trasformare la medicina, Biotech, la ricerca accademica, sicurezza alimentare ed altre applicazioni pratiche, ha detto.

Un toolkit potente per il futuro

Questo nuovo sistema ci permette di individuare simultaneamente molti segnali differenti, che è essenziale per i sistemi diagnostici ed i sistemi di controllo. L'output elettronico significa che in futuro può essere le tecnologie prontamente collegate come gli smartphones e distribuite percependo le schiere che potrebbero essere portate direttamente al lato del letto di un paziente.

Co-author Alexander A. Green, assistente universitario all'istituto di Biodesign all'Arizona State University

A Toronto, Pardee ed il suo gruppo di ricerca sono eccitati per vedere dove altri nel campo sintetico di biologia cattureranno il sistema. “Essenzialmente abbiamo creato un nuovo insieme degli strumenti ed abbiamo aperto una nuova sede per segnalare. Le applicazioni sintetiche di biologia sono limitate al punto di segnalazione e questa è stata una sfida significativa. Con questo nuovo approccio combinato, pensiamo che possiamo realmente accelerare il campo e la sua capacità migliorare le vite.„

Source:
Journal reference:

Mousavi, P. S. et al. (2019) A multiplexed, electrochemical interface for gene-circuit-based sensors. Nature Chemistry. doi.org/10.1038/s41589-019-0401-8