Les biologistes synthétiques de la Northwestern University ont développé un appareil portable à faible coût et facile à utiliser qui peut informer les utilisateurs - en quelques minutes - si leur eau est sûre à boire.
Le nouvel appareil fonctionne en utilisant des réseaux génétiques puissants et programmables, qui imitent les circuits électroniques, pour effectuer une gamme de fonctions logiques.
Parmi les circuits à base d'ADN, par exemple, les chercheurs ont conçu des molécules sans cellules dans un convertisseur analogique-numérique (ADC), un type de circuit omniprésent trouvé dans presque tous les dispositifs électroniques.Dans le dispositif de qualité de l'eau, le circuit ADC traite une entrée analogique (contaminants) et génère une sortie numérique (un signal visuel pour informer l'utilisateur).
La recherche a été publiée aujourd'hui (février.17) Dans la revue Nature Chemical Biology.
Équipé d'une série de huit petits tubes à essai, l'appareil brille en vert lorsqu'il détecte un contaminant.Le nombre de tubes qui brillent dépendent de la quantité de contamination.Si un seul tube brille, alors l'échantillon d'eau a un niveau de trace de contamination.Mais si les huit tubes brillent, alors l'eau est gravement contaminée.En d'autres termes, la concentration plus élevée de contamination conduit à un signal plus élevé.
"Nous avons programmé chaque tube pour avoir un seuil différent pour les contaminations", a déclaré Julius B de Northwestern.Lucks, qui a dirigé la recherche.«Le tube avec le seuil le plus bas s'allume tout le temps.Si tous les tubes s'allument, alors il y a un gros problème.Les circuits de construction et l'informatique d'ADN programmable ouvre de nombreuses possibilités pour d'autres types de diagnostics intelligents."
Lucks est professeur de génie chimique et biologique à l'école d'ingénierie McCormick de Northwestern et membre du Center for Synthetic Biology.Les co-auteurs du journal incluent Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta et Khalid Alam - tous du nord-ouest.
Rencontrez Rosalind
Le nouveau système construit des travaux que Lucks et son équipe ont publié dans Nature Biotechnology en juillet 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.Lorsque le test a détecté un contaminant dépassant le u.Les normes de l'agence de protection de l'environnement, elle brillait le vert ou ne donne pas un résultat positif ou négatif simple, facile à lire.
Pour développer Rosalind, Lucks et son équipe ont utilisé une biologie synthétique sans cellules.Avec la biologie synthétique, les chercheurs prennent des machines moléculaires - y compris l'ADN, l'ARN et les protéines - hors des cellules, puis reprogrammer cette machine pour effectuer de nouvelles tâches.À l'époque, Lucks a comparé le fonctionnement interne de Rosalind aux «papilles moléculaires."
“We found out how bacteria naturally taste things in their water," he said.«Ils le font avec les petits papilles de goût de niveau moléculaire.«La biologie synthétique sans cellule nous permet de prendre ces petites papilles moléculaires et de les mettre dans un tube à essai.Nous pouvons alors les «réhabiller» pour produire un signal visuel.Il brille pour laisser l'utilisateur à voir rapidement et facilement s'il y a un contaminant dans l'eau."
Cerveau moléculaire
Maintenant, dans la nouvelle version - surnommée Rosalind 2.0 - Lucks et son équipe ont ajouté un «cerveau moléculaire."
“The initial platform was a bio-sensor, which acted like a taste bud," Lucks said.«Maintenant, nous avons ajouté un réseau génétique qui fonctionne comme un cerveau.Le bio-capteur détecte la contamination, mais la sortie du bio-capteur alimente le réseau génétique, ou circuit, qui fonctionne comme un cerveau pour effectuer une logique."
Researchers freeze-dried the reprogrammed “molecular brains" to become shelf-stable and put them into test tubes.L'ajout d'une goutte d'eau à chaque tube déclenche un réseau de réactions et d'interactions, ce qui a finalement fait briller le culot lyophilisé en présence d'un contaminant.
Pour tester le nouveau système, Lucks et son équipe ont démontré qu'il pouvait détecter avec succès les niveaux de concentration de zinc, un antibiotique et un métabolite industriel.Donner le niveau de contamination - plutôt qu'un simple résultat positif ou négatif - est important pour éclairer les stratégies d'atténuation, a déclaré Lucks.
“After we introduced ROSALIND, people said they wanted a platform that could also give concentration amounts," he said.«Différents contaminants à différents niveaux nécessitent des stratégies différentes.Si vous avez un faible niveau de plomb dans votre eau, par exemple, alors vous pourrez peut-être le tolérer en rincer vos conduites d'eau avant les utiliser.Mais si vous avez des niveaux élevés, vous devez arrêter de boire votre eau immédiatement et remplacer votre ligne d'eau."
Autonomiser les individus
En fin de compte, Lucks et son équipe espèrent permettre aux individus de tester régulièrement leur propre eau.Avec des dispositifs portables peu coûteux comme Rosalind, cela pourrait bientôt devenir une réalité.
“It’s clear that we need to enable people with information to make important, sometimes lifesaving decisions," Lucks said."Nous voyons cela avec des tests à domicile pour Covid-19.Les gens ont besoin de tests à domicile car ils ont besoin de ces informations rapidement et régulièrement.C'est similaire avec l'eau.Il existe de nombreux cas où la qualité de l'eau doit être mesurée régulièrement.Ce n'est pas une chose unique car les niveaux de contamination peuvent changer avec le temps."
The study, “Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits," was supported by the U.S.Département de la Défense, la National Science Foundation, le Crown Family Center for Jewish and Israel Studies et les fonds Searle au Chicago Community Trust.
