多倫多大學(xué)(University of Toronto)和亞利桑那州立大學(xué)(ASU)的科學(xué)家通過將無細胞合成生物學(xué)與最新的納米結(jié)構(gòu)電極相結(jié)合，開發(fā)了第一個直接基因電路與電極的接口。研究結(jié)果今天發(fā)表在《自然化學(xué)》上。長期以來，合成生物學(xué)家受到電子領(lǐng)域的概念及其電路和邏輯門的啟發(fā)，試圖對生物系統(tǒng)進行重新編程，以實現(xiàn)用于醫(yī)療，環(huán)境和制藥應(yīng)用的人造功能。這項新工作將合成生物學(xué)領(lǐng)域推向了可以利用各學(xué)科優(yōu)勢的生物雜交系統(tǒng)。
“這是基因電路直接與電極耦合的第一個例子，并且是將生物信息轉(zhuǎn)換為電子信號的令人興奮的工具，” T's Leslie大學(xué)藥物科學(xué)系助理教授Keith Pardee說。丹藥學(xué)院。創(chuàng)建新系統(tǒng)的跨學(xué)科工作匯集了來自Pardee實驗室(美國德克薩斯大學(xué))的無細胞合成生物學(xué)，來自Kelley實驗室(美國德克薩斯大學(xué))的電化學(xué)以及來自綠色實驗室(ASU)的傳感器設(shè)計方面的專業(yè)知識。
帕迪(Pardee)的研究小組專門研究可在實驗室外安全使用的無細胞診斷技術(shù)，并在2016年與合作者發(fā)布了一種使用紙質(zhì)快速，便攜式和低成本檢測寨卡病毒的平臺，引起了廣泛關(guān)注?；诤铣傻幕蚓W(wǎng)絡(luò)。將檢測Zika病毒的能力帶到診所之外并滿足需要是邁出的關(guān)鍵一步，但該方法依賴于常規(guī)的光信號傳遞-顏色變化表明已檢測到該病毒。這就給在像巴西這樣的國家中的實際實施提出了挑戰(zhàn)，在這些國家中，具有相似癥狀的病毒需要衛(wèi)生保健提供者篩選幾種不同的病原體，以便正確地確定患者感染的原因。
這突出了對便攜式系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)可以在同一診斷測試中容納多個傳感器，這種能力稱為多路復(fù)用。挑戰(zhàn)在于采用基于顏色的信令進行多路復(fù)用是不切實際的?！耙坏┇@得了超過三種顏色的信號，就會耗盡帶寬，無法進行明確的檢測。進入電化學(xué)領(lǐng)域?qū)槲覀兲峁└蟮膸拋磉M行報告和發(fā)出信號。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，獨特的電化學(xué)信號可以并行運行而不會產(chǎn)生串擾，這是一種更有希望的擴大規(guī)模的方法，”帕迪說。
新的生物雜交系統(tǒng)使用了16微升液體中所含的非光學(xué)報告酶，這些酶與長于一英寸長的小芯片上的微圖案電極特別配對。在該芯片內(nèi)，基于基因電路的傳感器監(jiān)視特定核酸序列的存在，這些核酸序列在激活后會觸發(fā)一組報告酶的產(chǎn)生。然后，這些酶與報告DNA序列發(fā)生反應(yīng)，從而引起電極傳感器芯片上的電化學(xué)反應(yīng)。
作為概念的證明，研究小組將這種新方法用于檢測最近在全球牲畜中發(fā)現(xiàn)的大腸菌素抗生素抗性基因，這對使用抗生素作為感染的最后治療手段構(gòu)成了嚴重威脅。檢測到四個獨立的抗性基因，證明了該系統(tǒng)能夠有效地獨立和組合鑒定和報告每個基因的能力。對于合成生物學(xué)家來說，這種新方法代表了潛在的技術(shù)飛躍。傳統(tǒng)的合成生物學(xué)要求將邏輯計算編碼到基因電路的DNA中。這可能是艱苦的工作，需要數(shù)月甚至數(shù)年才能構(gòu)建復(fù)雜的電路。
“使這種組合方法如此強大的原因在于，只需在軟件級別而不是在DNA級別簡單地修改代碼，就可以隨意重新編程基因電路傳感器輸出的基礎(chǔ)連接性。費時”，該大學(xué)的萊斯利丹丹大學(xué)藥學(xué)院藥物科學(xué)系大學(xué)教授Shana Kelley說，他的研究小組專門研究高靈敏度的電化學(xué)傳感器。她說，將基于生物學(xué)的傳感技術(shù)與基于電子的邏輯，記憶和響應(yīng)元素結(jié)合在一起，具有改變醫(yī)學(xué)，生物技術(shù)，學(xué)術(shù)研究，食品安全和其他實際應(yīng)用的潛力。
亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計研究所的助理教授亞歷山大·格林說：“這種新系統(tǒng)使我們能夠同時檢測許多不同的信號，這對于診斷和監(jiān)視系統(tǒng)至關(guān)重要?！?“電子輸出意味著將來可以很容易地將諸如智能手機和分布式傳感陣列之類的接口技術(shù)直接帶到患者床邊?！?/p>
在多倫多，Pardee和他的研究小組很高興看到合成生物學(xué)領(lǐng)域的其他人將采用該系統(tǒng)?！拔覀儗嵸|(zhì)上已經(jīng)創(chuàng)建了一套新的工具，并為信號傳遞開辟了新的場所。合成生物學(xué)的應(yīng)用在報告階段受到限制，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。通過這種新的組合方法，我們認為我們可以真正地加速領(lǐng)域及其改善生活的能力?！?/p>