Wetenschappers van de Universiteit van Toronto (U of T) en de Arizona State University (ASU) hebben het eerste directe gencircuit naar de elektrode-interface ontwikkeld door celvrije synthetische biologie te combineren met ultramoderne nanogestructureerde elektroden.

Studieresultaten zijn vandaag gepubliceerd in Natuurchemie .

Lang geïnspireerd door concepten uit de elektronica, met zijn circuits en logische poorten, synthetisch biologen hebben geprobeerd biologische systemen te herprogrammeren om kunstmatige functies uit te voeren voor medische, milieu, en farmaceutische toepassingen. Dit nieuwe werk verplaatst het veld van synthetische biologie naar biohybride systemen die kunnen profiteren van de voordelen van elke discipline.

"Dit is het eerste voorbeeld van een gencircuit dat direct is gekoppeld aan elektroden, en is een opwindend hulpmiddel voor de omzetting van biologische informatie in een elektronisch signaal, " zei Keith Pardee, assistent-professor bij de afdeling Farmaceutische Wetenschappen van de Leslie Dan-faculteit Farmacie van de U of T.

De interdisciplinaire inspanning om het nieuwe systeem te creëren, bracht expertise samen in celvrije synthetische biologie van het Pardee-lab (U of T), elektrochemie van het Kelley lab (U of T) en sensorontwerp van het Green lab (ASU).

Praktische limieten van optische signalering overwinnen

Pardee, wiens onderzoeksgroep gespecialiseerd is in het ontwikkelen van celvrije diagnostische technologieën die veilig buiten het lab kunnen worden gebruikt, kreeg in 2016 veel aandacht toen hij en zijn medewerkers een platform uitbrachten voor de snelle, draagbare en goedkope detectie van het Zika-virus met behulp van op papier gebaseerde synthetische gennetwerken.

Het was een cruciale stap voorwaarts om de capaciteit om het Zika-virus buiten de kliniek op te sporen naar de plaats van nood te brengen, maar de aanpak was gebaseerd op conventionele optische signalering - een kleurverandering om aan te geven dat het virus was gedetecteerd. Dit vormde een uitdaging voor de praktische implementatie in landen als Brazilië, waar voor virussen met vergelijkbare symptomen zorgverleners moeten screenen op verschillende pathogenen om de oorzaak van de infectie van een patiënt correct te identificeren.

Dit benadrukte de behoefte aan een draagbaar systeem dat plaats biedt aan veel sensoren in dezelfde diagnostische test, een mogelijkheid die bekend staat als multiplexen. De uitdaging was dat multiplexen met op kleur gebaseerde signalering niet praktisch is.

"Als je voorbij drie kleursignalen komt, je hebt geen bandbreedte meer voor eenduidige detectie. Verhuizen naar de elektrochemische ruimte geeft ons aanzienlijk meer bandbreedte voor rapportage en signalering. We hebben nu aangetoond dat verschillende elektrochemische signalen parallel en zonder overspraak kunnen werken. wat een veel kansrijkere benadering is voor opschaling, ' zei Pardee.

Het nieuwe biohybride systeem maakt gebruik van niet-optische reporter-enzymen die zich in 16 microliter vloeistof bevinden en die specifiek gepaard gaan met elektroden met micropatronen die zijn ondergebracht op een kleine chip van niet meer dan 2,5 cm lang. Binnen deze chip op genen gebaseerde sensoren bewaken de aanwezigheid van specifieke nucleïnezuursequenties, die, wanneer geactiveerd, trigger de productie van een van een panel van de reporter-enzymen. De enzymen reageren vervolgens met reporter-DNA-sequenties die een elektrochemische reactie op de elektrodesensorchip veroorzaken.

Detectie van antibioticaresistentiegenen

Als proof-of-concept, het team paste de nieuwe benadering toe voor het detecteren van colistine-antibioticaresistentiegenen die recentelijk zijn geïdentificeerd bij vee wereldwijd en een ernstige bedreiging vormen voor het gebruik van het antibioticum als laatste redmiddel voor infectie. Er werden vier afzonderlijke resistentiegenen gedetecteerd, demonstrating the ability of the system to effectively identify and report each gene independently and also in combination.

For synthetic biologists, this new approach represents a potential technical leap forward. Conventional synthetic biology requires that logic calculations be encoded into the DNA of the gene circuit. This can be painstaking, taking months to years to build complex circuits.

"What makes this combined approach so powerful is that the underlying connectivity of the gene circuit sensor outputs can be re-programmed at will by simply modifying the code at the level of the software rather than at the level of the DNA which is much more difficult and time consuming, " said Shana Kelley, university professor in the Department of Pharmaceutical Sciences at U of T's Leslie Dan Faculty of Pharmacy, whose research group specializes in the development of highly sensitive electrochemical sensors. Bringing biology-based sensing together with electronic-based logic, memory and response elements, has the potential to transform medicine, biotech, academic research, food safety, and other practical applications, ze zei.

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."