U de T, cientistas de ASU desenvolve primeiramente o circuito directo do gene

Cientistas na universidade de toronto (U de T) e de universidade estadual do Arizona (ASU) desenvolveu o primeiro circuito directo do gene à relação do eléctrodo combinando a biologia sintética sem célula com os eléctrodos nanostructured último modelo.

Os resultados do estudo foram publicados hoje na química da natureza.

Inspirado por muito tempo por conceitos do campo da eletrônica, com seus circuitos e portas de lógica, os biólogos sintéticos procuraram reprogram sistemas biológicos para realizar funções artificiais para aplicações médicas, ambientais, e farmacêuticas. Esta nova obra move o campo da biologia sintética para os sistemas do biohybrid que podem se aproveitar de benefícios de cada disciplina.

Este é o primeiro exemplo de um circuito do gene que está sendo acoplado directamente aos eléctrodos, e é uma ferramenta emocionante para a conversão da informação biológica em um sinal eletrônico. Keith

Pardee, professor adjunto no departamento de ciências farmacêuticas em U da faculdade da Leslie Dan do t da farmácia

O esforço interdisciplinar para criar o sistema novo reuniu a experiência na biologia sintética sem célula do laboratório de Pardee (U de T), electroquímica do laboratório de Kelley (U de T) e sensor projecta do laboratório verde (ASU).

Superando limites práticos de sinalização óptica

Pardee, cujo o grupo de investigação se especializa em desenvolver as tecnologias diagnósticas sem célula que podem ser usadas com segurança fora do laboratório, recebeu atenção difundida em 2016 quando e os colaboradores liberaram uma plataforma para a detecção rápida, portátil e barata do vírus de Zika usando redes sintéticas sobre papel do gene.

Trazer a capacidade detectar o vírus de Zika fora da clínica e à ponto--necessidade era uma etapa crucial para a frente, mas a aproximação confiou na sinalização óptica convencional - uma mudança na cor para indicar que o vírus tinha sido detectado. Isto levantou um desafio para a aplicação prática nos países como Brasil onde os vírus com sintomas similares exigem fornecedores de serviços de saúde seleccionar para diversos micróbios patogénicos diferentes a fim identificar correctamente a causa da infecção de um paciente.

Isto destacou a necessidade para um sistema portátil que poderia acomodar muitos sensores no mesmo teste de diagnóstico, uma capacidade conhecida como multiplexando. O desafio era que multiplexar com sinalização cor-baseada não é prática.

“Uma vez que você obtem além de três sinais da cor, você é executado fora da largura de faixa para a detecção inequívoca. Mover-se no espaço eletroquímico dá-nos significativamente mais largura de faixa para relatar e sinalizar. Nós temos mostrado agora que os sinais eletroquímicos distintos podem se operar paralelamente e sem interferência, que é uma aproximação muito mais prometedora para escalar acima,” dissemos Pardee.

O sistema novo do biohybrid usa as enzimas não-ópticas do repórter contidas dentro de 16 microlitres do líquido que se emparelham especificamente com os eléctrodos micropatterned hospedados em uma microplaqueta pequena não mais de uma polegada de comprimento. Dentro desta microplaqueta, os sensores gene-circuito-baseados monitoram a presença de seqüências específicas do ácido nucleico, que, quando ativadas, provocam a produção de um de um painel das enzimas do repórter. As enzimas reagem então com as seqüências do ADN do repórter que se ajustam fora de uma resposta electroquímica na microplaqueta do sensor do eléctrodo.

Detectando genes de resistência antibióticos

Como uma prova de conceito, a equipe aplicou a aproximação nova a detectar os genes de resistência antibióticos do colistin que foram identificados recentemente nos rebanhos animais global e representa uma ameaça grave ao uso do antibiótico como um último tratamento do recurso para a infecção. Quatro genes de resistência separados foram detectados, demonstrando a capacidade do sistema para identificar e relatar eficazmente independente cada gene e igualmente na combinação.

Para biólogos sintéticos, esta aproximação nova representa um pulo técnico potencial para a frente. A biologia sintética convencional exige que os cálculos da lógica estejam codificados no ADN do circuito do gene. Isto pode ser cuidadoso, tomando meses aos anos para construir circuitos complexos.

“O que faz esta aproximação combinada tão poderosa é que a conectividade subjacente das saídas do sensor do circuito do gene pode re-ser programada na vontade simplesmente alterando o código a nível do software um pouco do que a nível do ADN que é muito mais difícil e demorado,” disse Shana Kelley, catedrático no departamento de ciências farmacêuticas em U da faculdade da Leslie Dan do t da farmácia, cujo o grupo de investigação se especializa na revelação de sensores eletroquímicos altamente sensíveis. Trazer biologia-baseou a detecção junto com a lógica eletrônico-baseada, elementos da memória e da resposta, tem o potencial transformar a medicina, Biotech, pesquisa académico, segurança alimentar, e outras aplicações práticas, disse.

Um conjunto de ferramentas poderoso para o futuro

Este sistema novo permite-nos de detectar simultaneamente muitos sinais diferentes, que é essencial para diagnósticos e sistemas de vigilância. A saída eletrônica significa que no futuro pode ser tecnologias prontamente conectadas como smartphones e distribuídas detectando as disposições que poderiam ser trazidas directamente à cabeceira de um paciente.

Co-author Alexander A. Verde, professor adjunto no instituto de Biodesign na universidade estadual do Arizona

Em Toronto, Pardee e seu grupo de investigação são entusiasmado ver aonde outro no campo sintético da biologia tomará o sistema. “Nós essencialmente criamos um grupo novo de ferramentas e abrimos um local de encontro novo para sinalizar. As aplicações sintéticas da biologia são limitadas na etapa do relatório e este foi um desafio significativo. Com esta aproximação combinada nova, nós pensamos que nós podemos realmente acelerar o campo e sua capacidade melhorar vidas.”

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