Los científicos de la Universidad de Toronto U of T y la Universidad Estatal de Arizona ASU han desarrollado el primer circuito directo de genes para la interfaz de electrodos combinando biología sintética libre de células con electrodos nanoestructurados de última generación.
Los resultados del estudio se publicaron hoy en Química de la naturaleza .
Largos inspirados en conceptos del campo de la electrónica, con sus circuitos y puertas lógicas, los biólogos sintéticos han tratado de reprogramar sistemas biológicos para llevar a cabo funciones artificiales para aplicaciones médicas, ambientales y farmacéuticas. Este nuevo trabajo mueve el campo de la biología sintéticahacia sistemas biohíbridos que puedan aprovechar los beneficios de cada disciplina.
"Este es el primer ejemplo de un circuito genético que se acopla directamente a electrodos, y es una herramienta emocionante para la conversión de información biológica en una señal electrónica", dijo Keith Pardee, profesor asistente en el Departamento de Ciencias Farmacéuticas de la U deT's Leslie Dan Facultad de Farmacia.
El esfuerzo interdisciplinario para crear el nuevo sistema reunió la experiencia en biología sintética sin células del laboratorio Pardee U de T, electroquímica del laboratorio Kelley U de T y diseño de sensores del laboratorio verde ASU.
Superando límites prácticos de señalización óptica
Pardee, cuyo grupo de investigación se especializa en el desarrollo de tecnologías de diagnóstico sin células que pueden usarse de manera segura fuera del laboratorio, recibió una atención generalizada en 2016 cuando él y sus colaboradores lanzaron una plataforma para la detección rápida, portátil y de bajo costo del virus del Zikautilizando redes de genes sintéticos basados en papel.
Llevar la capacidad de detectar el virus Zika fuera de la clínica y al punto de necesidad fue un paso crucial hacia adelante, pero el enfoque se basó en la señalización óptica convencional: un cambio de color para indicar que el virus había sido detectadoEsto planteó un desafío para la implementación práctica en países como Brasil, donde los virus con síntomas similares requieren que los proveedores de atención médica detecten varios patógenos diferentes para identificar correctamente la causa de la infección de un paciente.
Esto destacó la necesidad de un sistema portátil que pudiera acomodar muchos sensores en la misma prueba de diagnóstico, una capacidad conocida como multiplexación. El desafío era que la multiplexación con señalización basada en color no es práctica.
"Una vez que superas las tres señales de color, te quedas sin ancho de banda para una detección inequívoca. Entrar en el espacio electroquímico nos da significativamente más ancho de banda para informar y señalizar. Ahora hemos demostrado que distintas señales electroquímicas pueden operar en paralelo y sindiafonía, que es un enfoque mucho más prometedor para ampliar ", dijo Pardee.
El nuevo sistema biohíbrido utiliza enzimas informadoras no ópticas contenidas dentro de 16 microlitros de líquido que se emparejan específicamente con electrodos micropatrificados alojados en un chip pequeño de no más de una pulgada de longitud. Dentro de este chip, los sensores basados en circuitos genéticos monitorean la presenciade secuencias específicas de ácido nucleico, que, cuando se activan, desencadenan la producción de uno de un panel de enzimas informadoras, que luego reaccionan con secuencias de ADN informador que desencadenan una respuesta electroquímica en el chip sensor del electrodo.
Detección de genes de resistencia a antibióticos
Como prueba de concepto, el equipo aplicó el nuevo enfoque para detectar genes de resistencia a antibióticos de colistina que recientemente se han identificado en el ganado en todo el mundo y representan una seria amenaza para el uso del antibiótico como tratamiento de último recurso para la infección. Cuatro resistencias separadasSe detectaron genes, lo que demuestra la capacidad del sistema para identificar e informar eficazmente cada gen de forma independiente y también en combinación.
Para los biólogos sintéticos, este nuevo enfoque representa un salto técnico potencial hacia adelante. La biología sintética convencional requiere que los cálculos lógicos se codifiquen en el ADN del circuito genético. Esto puede ser laborioso, ya que lleva meses o años construir circuitos complejos.
"Lo que hace que este enfoque combinado sea tan poderoso es que la conectividad subyacente de las salidas del sensor del circuito genético puede reprogramarse a voluntad simplemente modificando el código al nivel del software en lugar de al nivel del ADN que es muchoes más difícil y consume más tiempo ", dijo Shana Kelley, profesora universitaria en el Departamento de Ciencias Farmacéuticas de la Facultad de Farmacia Leslie Dan de la Universidad de Texas, cuyo grupo de investigación se especializa en el desarrollo de sensores electroquímicos altamente sensibles. Combina la detección basada en biología con electrónicabasado en la lógica, la memoria y los elementos de respuesta, tiene el potencial de transformar la medicina, la biotecnología, la investigación académica, la seguridad alimentaria y otras aplicaciones prácticas, dijo.
Un poderoso kit de herramientas para el futuro
"Este nuevo sistema nos permite detectar muchas señales diferentes simultáneamente, lo cual es esencial para los sistemas de diagnóstico y monitoreo", dijo el coautor Alexander A. Green, profesor asistente en el Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona. "La salida electrónica significaque en el futuro pueden ser tecnologías fácilmente interconectadas como teléfonos inteligentes y conjuntos de sensores distribuidos que podrían llevarse directamente al lado de la cama del paciente ".
En Toronto, Pardee y su grupo de investigación están entusiasmados de ver dónde otros en el campo de la biología sintética tomarán el sistema. "Esencialmente hemos creado un nuevo conjunto de herramientas y abrimos un nuevo lugar para la señalización. Las aplicaciones de biología sintética sonlimitado en el paso de presentación de informes y esto ha sido un desafío importante. Con este nuevo enfoque combinado, creemos que realmente podemos acelerar el campo y su capacidad para mejorar vidas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Toronto - Facultad de Farmacia Leslie Dan . Original escrito por Kate Richards. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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