Científicos de la Universidad de Toronto (U of T) y la Universidad Estatal de Arizona (ASU) han desarrollado el primer circuito genético directo a la interfaz de electrodos combinando biología sintética sin células con electrodos nanoestructurados de última generación.

Los resultados del estudio se publicaron hoy en Química de la naturaleza .

Inspirados durante mucho tiempo en conceptos del campo de la electrónica, con sus circuitos y puertas lógicas, Los biólogos sintéticos han intentado reprogramar sistemas biológicos para que realicen funciones artificiales para fines médicos, ambiental, y aplicaciones farmacéuticas. Este nuevo trabajo mueve el campo de la biología sintética hacia sistemas biohíbridos que pueden aprovechar los beneficios de cada disciplina.

"Este es el primer ejemplo de un circuito genético acoplado directamente a electrodos, y es una herramienta interesante para la conversión de información biológica en una señal electrónica, "dijo Keith Pardee, profesor asistente en el Departamento de Ciencias Farmacéuticas de la Facultad de Farmacia Leslie Dan de la U of T's.

El esfuerzo interdisciplinario para crear el nuevo sistema reunió la experiencia en biología sintética libre de células del laboratorio Pardee (U of T), electroquímica del laboratorio Kelley (U of T) y diseño de sensores del laboratorio Green (ASU).

Superar los límites prácticos de la señalización óptica

Pardee, cuyo grupo de investigación se especializa en el desarrollo de tecnologías de diagnóstico sin células que se pueden utilizar de forma segura fuera del laboratorio, recibió una atención generalizada en 2016 cuando él y sus colaboradores lanzaron una plataforma para el rápido, Detección portátil y de bajo costo del virus Zika utilizando redes de genes sintéticos en papel.

Llevar la capacidad de detectar el virus del Zika fuera de la clínica y al punto de necesidad fue un paso adelante crucial. pero el enfoque se basó en la señalización óptica convencional:un cambio de color para indicar que se había detectado el virus. Esto planteó un desafío para la implementación práctica en países como Brasil, donde los virus con síntomas similares requieren que los proveedores de atención médica examinen 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 fue que la multiplexación con señalización basada en colores no es práctica.

"Una vez que superas las tres señales de color, se queda sin ancho de banda para una detección inequívoca. Movernos al espacio electroquímico nos da significativamente más ancho de banda para reportar y señalizar. Ahora hemos demostrado que distintas señales electroquímicas pueden operar en paralelo y sin diafonía, que es un enfoque mucho más prometedor para la ampliación, "dijo Pardee.

El nuevo sistema biohíbrido utiliza enzimas informadoras no ópticas contenidas en 16 microlitros de líquido que se emparejan específicamente con electrodos con micropatrones alojados en un pequeño chip de no más de una pulgada de largo. Dentro de este chip, sensores basados ​​en circuitos genéticos monitorean la presencia de secuencias específicas de ácidos nucleicos, cuales, cuando se activa, desencadenar la producción de uno de un panel de las enzimas informadoras. Las enzimas luego reaccionan con secuencias de ADN informadoras que desencadenan una respuesta electroquímica en el chip sensor del electrodo.

Detectando 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 se han identificado recientemente en el ganado a nivel mundial y representan una seria amenaza para el uso del antibiótico como tratamiento de último recurso para la infección. Se detectaron cuatro genes de resistencia separados, demostrando la capacidad del sistema para identificar e informar de manera efectiva cada gen de forma independiente y también en combinación.

Para los biólogos sintéticos, este nuevo enfoque representa un potencial avance técnico. La biología sintética convencional requiere que los cálculos lógicos se codifiquen en el ADN del circuito genético. Esto puede ser laborioso tardando meses o años en 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 se puede reprogramar a voluntad simplemente modificando el código en el nivel del software en lugar del nivel del ADN, lo cual es mucho más difícil. y consume mucho tiempo, "dijo Shana Kelley, profesor universitario en el Departamento de Ciencias Farmacéuticas de la Facultad de Farmacia Leslie Dan de la U of T, cuyo grupo de investigación se especializa en el desarrollo de sensores electroquímicos de alta sensibilidad. Combinando la detección basada en biología con la lógica basada en electrónica, elementos de memoria y respuesta, tiene el potencial de transformar la medicina, biotecnología investigación académica, Seguridad alimenticia, y otras aplicaciones prácticas, ella dijo.

Un poderoso conjunto de herramientas para el futuro

"Este nuevo sistema nos permite detectar muchas señales diferentes simultáneamente, 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."