I en avlägsen by, en hjälparbetare sticker ett sjukt litet barns fingertopp, och som de flesta andra barns blodprover, denna blir en teststicka gul. Det är så ett experimentellt undernäringstest som gjorts med bakteriellt inälv kan fungera en dag för att avslöja utbredda zinkbrister som skylls för ungefär en halv miljon dödsfall årligen.

Dessa inälvor inkluderar plasmider, som är öglor av DNA. De är inte samma DNA-strängar bakom reproduktion och cellkonstruktion, men fungerar istället som nanoorgan med genetiska program som normalt styr bakteriecellsprocesser. I en studie ledd av Georgia Institute of Technology, forskare konstruerade sina egna plasmider för att styra andra delar som extraherats från bakterier för att få blodprovet att fungera.

Den nya tekniken visade hög potential som grund för en billig, lätt undernäringstest för användning inom fältet som skulle kunna utökas till att omfatta många viktiga näringsämnen och andra hälsoindikatorer.

Den nya, experimentellt test frystorkas till ett pulver som hålls vid vardagstemperaturer, kunde läsas i fält, och kan vara lämplig för exakt analys med en tillämplig smartphone-app. Det skulle kunna övervinna de kliniska och logistiska svårigheterna med andra tester, inklusive kyltransport till fältet eller tillbaka till ett labb, samt förlorad tid.

Testet detekterar inte bara zink utan kvantifierar också dess kliniskt relevanta nivåer, som är nödvändigt för att upptäcka undernäring och är en av det nya testets främsta innovationer. Biståndsorgan kan använda en fältversion av testet för att få omedelbar information för att snabbt påverka policybeslut om näringsinsatser.

Dold hunger

Två miljarder människor världen över lider av brist på mikronäringsämnen, som kräver miljontals liv varje år, enligt Centers for Disease Control and Prevention. Enbart zinkbrist fick skulden för mer än 450, 000 dödsfall under 2009, enligt en studie i European Journal of Clinical Nutrition.

Men att upptäcka undernäring är knepigt.

"I utvecklingsvärlden idag, många människor får i sig tillräckligt med kalorier men går miste om en massa näringsämnen. Du kan titta på någon och se om de får i sig tillräckligt med kalorier men inte om de får i sig tillräckliga mängder utvecklingsmässigt viktiga näringsämnen, sa Mark Styczynski, som ledde studien och är docent vid Georgia Techs School of Chemical and Biomolecular Engineering.

"Inverkan är störst på gravida mödrar och barn under 5 år, det är då de har högst dödlighet, " han sa.

Forskargruppen, som inkluderade medarbetare från Northwestern University, publicerade sin studie i tidskriften Vetenskapens framsteg den 25 september, 2019. Forskningen finansierades av National Institutes of Health, National Science Foundation, flygvapnets forskningslaboratorium, Defence Advanced Research Projects Agency, David och Lucille Packard Foundation, och Camille Dreyfus Teacher-Scholar Program.

Liten är stor

Engineering med bakteriell inälv är minst 25 år gammal, med forskning som accelererat under det senaste decenniet. Men detta nya test flaggar för små molekyler, som zink eller jod, ännu en stor innovation.

Kvantifieringen av zinkjoner i just denna studie var beviset på konceptet för planer på att mäta många små molekyler som är relevanta för tester på fältet. Forskarna kunde snabbt utöka testet för att bedöma nivåerna av de sex vitala småmolekylära näringsämnena, mikronäringsämnen, som är mycket relevanta för näringsfältsarbete.

"Vi kanske ganska snabbt kan göra nya tester för järn, B12, folat, jod, och vitamin A, Styczynski sa. "Vi kan också kvantifiera större molekyler som DNA och proteiner för att hjälpa till att ta reda på hur illa ett viralt utbrott är."

"Att upptäcka närvaron eller frånvaron av något som ebola eller graviditet är viktigt. Men att kunna säga hur mycket av något du har, som ett näringsämne eller ett virus, utan att behöva dra utrustning genom fältet för att göra det har det saknats. Förmågan att göra det kan öppna många dörrar inom diagnostik och behandling, " sa Styczynski.

Tar bort bakterier

Det enkla att använda det experimentella zinktestet står i skarp kontrast till det arbete som krävs för att konstruera det. Forskarna började använda levande bakterier som ändrade färger som reaktion på zink, men det tillvägagångssättet träffade hakar.

"Testet tog för lång tid, och volymen av blod och bakterier vi skulle behöva var inte klar, " sa Styczynski. "Så, vi blev cellfria. Du tar bakterierna och tar bort utsidan och genomet – huvud-DNA:t – och du har kvar denna rika blandning av kraftigt reaktiva delar, som du kan lägga till ditt eget genetiska program på plasmiderna."

Cellfria tillvägagångssätt gör att bakteriell inälv kan doseras som föreningar i en kemisk reaktion, göra testet förutsägbart, pålitlig, och lämpar sig för standardisering. Forskarna byggde två plasmider för att driva testets processer.

"Den ena har generna från E. coli för ett enzym som bryter ner ett stort socker till mindre sockerarter. Den andra styr hur mycket av en regulatorgen som slås på som svar på nivåer av zink, " sa Styczynski.

Blir lila

Testet använder en signalmolekyl som delvis är ett stort socker och börjar gult, men när plasmiden gör ett enzym som klyver sockret, molekylen blir lila. Zinknivåer reglerar hur mycket enzym som tillverkas - mer zink betyder mer enzym och mer lila. Om testet förblir gult, zink är farligt lågt.

När den testas i serum, dvs blod, dess rika biologi stör reaktionen, och i den verkliga världen, att röran skiljer sig från person till person och skulle skeva färgscheman från patient till patient.

Det löste forskarna med ett kemiskt knep för att göra ett kalibreringssystem som flyter med den snedställningen. För själva testet, zinken reglerade hur plasmiderna ändrar färgen, men studiens första författare, Monica McNerney, vände saker för kalibratorn.

För att göra dess referenspunkter, hon maximerade zinknivåerna och varierade nivåerna av plasmider punkt för punkt, resulterar i en skala av färger.

Testet och de plasmidvarierade kalibreringspunkterna fick båda serumet som skulle testas, och röran flyttade testet och kalibreringspunkterna på ett identiskt sätt. Testets ändrade färg kunde exakt jämföras med färgerna på kalibreringspunkterna för att fastställa zinknivåer.

Färgerna är i det synliga området, inte fluorescerande, så de kräver ingen enhet för att läsa. Hastigheten för färgförändringar kan avslöja mer detaljer om näringsnivåer, kanske via en analys av smartphone-video tagen av testet.