Los biólogos sintéticos de la Universidad Northwestern han desarrollado un dispositivo de mano de bajo costo, fácil de usar y de mano que puede informar a los usuarios, en solo minutos, si su agua es segura para beber.
El nuevo dispositivo funciona utilizando redes genéticas potentes y programables, que imitan los circuitos electrónicos, para realizar una gama de funciones lógicas.
Entre los circuitos basados en ADN, por ejemplo, los investigadores diseñaron moléculas libres de células en un convertidor analógico a digital (ADC), un tipo de circuito ubicuo que se encuentra en casi todos los dispositivos electrónicos.En el dispositivo de calidad de agua, el circuito ADC procesa una entrada analógica (contaminantes) y genera una salida digital (una señal visual para informar al usuario).
La investigación se publicó hoy (febrero.17) En la revista Nature Nature Chemical Biology.
Equipado con una serie de ocho tubos de ensayo pequeños, el dispositivo brilla verde cuando detecta un contaminante.El número de tubos que brilla dependen de la cantidad de contaminación presente.Si solo un tubo brilla, entonces la muestra de agua tiene un nivel de traza de contaminación.Pero si los ocho tubos brillan, entonces el agua está severamente contaminada.En otras palabras, la mayor concentración de contaminación conduce a una señal más alta.
"Programamos cada tubo para tener un umbral diferente para las contaminaciones", dijo Julius B de Northwestern.LUCKS, que dirigió la investigación."El tubo con el umbral más bajo se iluminará todo el tiempo.Si todos los tubos se iluminan, entonces hay un gran problema.La construcción de circuitos y la computación de ADN programable abre muchas posibilidades para otros tipos de diagnósticos inteligentes."
Lucks es profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y miembro del Centro de Biología sintética.Los coautores del periódico incluyen a Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta y Khalid Alam, todo del noroeste.
Conocer a Rosalind
El nuevo sistema desarrolla el trabajo que Lucks y su equipo publicaron en Nature Biotechnology en julio de 2020. In that work, the team introduced ROSALIND (named after famed chemist Rosalind Franklin and short for “RNA output sensors activated by ligand induction"), which could sense 17 different contaminants in a single drop of water.Cuando la prueba detectó un contaminante que excede la u.S Los estándares de la Agencia de Protección Ambiental, se brilló verde o no para dar un resultado positivo o negativo simple, fácil de leer.
Para desarrollar Rosalind, Lucks y su equipo emplearon biología sintética sin células.Con la biología sintética, los investigadores toman maquinaria molecular, incluido el ADN, el ARN y las proteínas, fuera de las células, y luego reprograman esa maquinaria para realizar nuevas tareas.En ese momento, Lucks comparó el funcionamiento interno de Rosalind con "papilas gustativas moleculares."
“We found out how bacteria naturally taste things in their water," he said."Lo hacen con pequeños papilas gustativas de nivel molecular."La biología sintética sin células nos permite sacar esas pequeñas papilas gustativas moleculares y ponerlas en un tubo de ensayo.Entonces podemos "volver a cablearlos" para producir una señal visual.Brilla para permitir que el usuario vea rápida y fácilmente si hay un contaminante en el agua.."
Fuerza intelectual molecular
Ahora, en la nueva versión, denominado Rosalind 2.0 - Lucks y su equipo han agregado un "cerebro molecular."
“The initial platform was a bio-sensor, which acted like a taste bud," Lucks said."Ahora hemos agregado una red genética que funciona como un cerebro.El biosensor detecta la contaminación, pero luego la salida del biosensor se alimenta en la red genética, o circuito, que funciona como un cerebro para realizar la lógica."
Researchers freeze-dried the reprogrammed “molecular brains" to become shelf-stable and put them into test tubes.Agregar una gota de agua a cada tubo establece una red de reacciones e interacciones, lo que finalmente hace que el sedimento liofilizado brille en presencia de un contaminante.
Para probar el nuevo sistema, Lucks y su equipo demostraron que podría detectar con éxito los niveles de concentración de zinc, un antibiótico y un metabolito industrial.Dar el nivel de contaminación, en lugar de un resultado positivo o negativo simple, es importante para informar las estrategias de mitigación, dijo Lucks.
“After we introduced ROSALIND, people said they wanted a platform that could also give concentration amounts," he said.“Los diferentes contaminantes en diferentes niveles requieren diferentes estrategias.Si tiene un bajo nivel de plomo en su agua, por ejemplo, entonces puede tolerarlo alquilar sus líneas de agua delante de usarlas.Pero si tiene niveles altos, debe dejar de beber su agua de inmediato y reemplazar su línea de agua."
Empoderando a los individuos
En última instancia, la suerte y su equipo esperan empoderar a las personas para que prueben su propia agua de forma regular..Con dispositivos de mano económicos como Rosalind, que pronto pueden convertirse en realidad.
“It’s clear that we need to enable people with information to make important, sometimes lifesaving decisions," Lucks said."Estamos viendo eso con pruebas en el hogar para Covid-19.Las personas necesitan pruebas en el hogar porque necesitan esa información de manera rápida y regular.Es similar con el agua.Hay muchos casos en los que la calidad del agua debe medirse de manera rutinaria.No es algo único porque los niveles de contaminación pueden cambiar con el tiempo."
The study, “Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits," was supported by the U.S.Departamento de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Familia Crown para Estudios Judíos e Israel y los Fondos Searle en Chicago Community Trust.
