Os biólogos sintéticos da Northwestern University desenvolveram um dispositivo portátil de baixo custo, fácil de usar, que pode informar os usuários-em poucos minutos-se a água é segura para beber.
O novo dispositivo funciona usando redes genéticas poderosas e programáveis, que imitam circuitos eletrônicos, para executar uma variedade de funções lógicas.
Entre os circuitos baseados em DNA, por exemplo, os pesquisadores projetaram moléculas sem células em um conversor analógico-digital (ADC), um tipo de circuito onipresente encontrado em quase todos os dispositivos eletrônicos.No dispositivo de qualidade da água, o circuito ADC processa uma entrada analógica (contaminantes) e gera uma saída digital (um sinal visual para informar o usuário).
A pesquisa foi publicada hoje (fevereiro.17) Na revista Nature Chemical Biology.
Equipado com uma série de oito pequenos tubos de teste, o dispositivo brilha verde quando detecta um contaminante.O número de tubos que brilham depende de quanta contaminação está presente.Se apenas um tubo brilhar, a amostra de água terá um nível de contaminação de vestígios.Mas se todos os oito tubos brilharem, a água está severamente contaminada.Em outras palavras, a maior concentração de contaminação leva a um sinal mais alto.
"Programamos cada tubo para ter um limite diferente para contaminações", disse Julius B, do Northwestern B.Sorte, que liderou a pesquisa.“O tubo com o limite mais baixo vai iluminar o tempo todo.Se todos os tubos acenderem, há um grande problema.Circuitos de construção e computação de DNA programável abre muitas possibilidades para outros tipos de diagnóstico inteligente.”
Lucks é professor de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering da Northwestern e membro do Centro de Biologia Sintética.Os co-autores do jornal incluem Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta e Khalid Alam-todos do Northwestern.
Conheça Rosalind
O novo sistema cria o trabalho que a sorte e sua equipe publicou na Nature Biotechnology em julho de 2020.Nesse trabalho, a equipe introduziu Rosalind (nomeado em homenagem ao famoso químico Rosalind Franklin e curto para "sensores de saída de RNA ativados pela indução do ligante"), o que poderia sentir 17 contaminantes diferentes em uma única gota de água.Quando o teste detectou um contaminante excedendo o U.Os padrões da Agência de Proteção Ambiental, que brilhavam em verde ou não para dar um resultado positivo ou negativo simples, fácil de ler.
Para desenvolver Rosalind, Lucks e sua equipe empregaram biologia sintética sem células.Com a biologia sintética, os pesquisadores tomam máquinas moleculares - incluindo DNA, RNA e proteínas - fora das células, e depois reprogramará as máquinas para executar novas tarefas.Na época, a sorte comparava o funcionamento interno de Rosalind a "Bomeiros do paladar molecular.”
"Descobrimos como as bactérias naturalmente provam as coisas em sua água", disse ele.“Eles fazem isso com pequenos brotos de paladar de nível molecular.'Biologia sintética sem células nos permite tirar esses pequenos brotos moleculares e colocá-los em um tubo de ensaio.Podemos então "re-abaixá-los" para produzir um sinal visual.Gara para deixar o usuário ver de maneira rápida e fácil se há um contaminante na água.”
Poodia cerebral molecular
Agora, na nova versão - apelidado de Rosalind 2.0 - Lucks e sua equipe adicionaram um “cérebro molecular.”
"A plataforma inicial era um bio-sensor, que agia como um paladar", disse Lucks.“Agora adicionamos uma rede genética que funciona como um cérebro.O bio-sensor detecta contaminação, mas a saída do bio-sensor alimenta a rede genética, ou circuito, que funciona como um cérebro para executar a lógica.”
Os pesquisadores congelam os "cérebros moleculares" reprogramados para se tornarem estáveis para as prateleiras e colocá-los em tubos de ensaio.A adição de uma gota de água a cada tubo define uma rede de reações e interações, causando que o pellet liofilizado brilha na presença de um contaminante.
Para testar o novo sistema, Lucks e sua equipe demonstraram que poderia detectar com sucesso os níveis de concentração de zinco, um antibiótico e um metabolito industrial.Dar o nível de contaminação - em vez de um resultado positivo ou negativo simples - é importante para informar estratégias de mitigação, disse Lucks.
"Depois que introduzimos Rosalind, as pessoas disseram que queriam uma plataforma que também pudesse dar valores de concentração", disse ele.“Diferentes contaminantes em diferentes níveis requerem estratégias diferentes.Se você tem um baixo nível de chumbo na sua água, por exemplo, poderá tolerá -lo, lavando suas linhas de água à frente de usá -las.Mas se você tiver níveis altos, precisará parar de beber sua água imediatamente e substituir sua linha de água.”
Empoderando indivíduos
Por fim, a sorte e sua equipe esperam capacitar as pessoas a testar sua própria água regularmente.Com dispositivos baratos e portáteis como Rosalind, que em breve podem se tornar uma realidade.
"É claro que precisamos permitir que as pessoas com informações tomem decisões importantes, às vezes salvadoras", disse Lucks."Estamos vendo isso com testes em casa para Covid-19.As pessoas precisam de testes em casa porque precisam dessas informações de maneira rápida e regular.É semelhante com água.Existem muitos casos em que a qualidade da água precisa ser medida rotineiramente.Não é uma coisa única, porque os níveis de contaminação podem mudar com o tempo.”
O estudo, “Programando biossensores sem células com circuitos de deslocamento de fita de DNA”, foi apoiado pelo U.S.Departamento de Defesa, Fundação Nacional de Ciência, Centro Familiar Crown de Estudos Judaicos e Israel e Fundos de Searle no Chicago Community Trust.
