Forskare vid University of Toronto (U of T) och Arizona State University (ASU) har utvecklat den första direkta genkretsen till elektrodgränssnitt genom att kombinera cellfri syntetisk biologi med toppmoderna nanostrukturerade elektroder.

Studieresultat publicerades idag i Naturkemi .

Långt inspirerat av koncept från elektronikområdet, med dess kretsar och logiska grindar, syntetiska biologer har försökt omprogrammera biologiska system för att utföra konstgjorda funktioner för medicinska, miljö, och farmaceutiska tillämpningar. Detta nya arbete flyttar området syntetisk biologi mot biohybridsystem som kan dra fördel av varje disciplin.

"Detta är det första exemplet på en genkrets som är direkt kopplad till elektroder, och är ett spännande verktyg för omvandling av biologisk information till en elektronisk signal, "sa Keith Pardee, biträdande professor vid Institutionen för farmaceutiska vetenskaper vid U vid T:s Leslie Dan farmaceutiska fakultet.

Det tvärvetenskapliga arbetet med att skapa det nya systemet sammanförde expertis inom cellfri syntetisk biologi från Pardee lab (U of T), elektrokemi från Kelley lab (U av T) och sensordesign från Green lab (ASU).

Att övervinna praktiska begränsningar för optisk signalering

Pardee, vars forskargrupp är specialiserad på att utveckla cellfria diagnostiska tekniker som kan användas säkert utanför labbet, fick stor uppmärksamhet 2016 när han och medarbetare släppte en plattform för snabb, portabel och billig upptäckt av Zika-viruset med hjälp av pappersbaserade syntetiska gennätverk.

Att föra kapaciteten att upptäcka Zika-virus utanför kliniken och till den punkt där det behövs var ett avgörande steg framåt, men tillvägagångssättet förlitade sig på konventionell optisk signalering - en färgförändring för att indikera att viruset hade upptäckts. Detta utgjorde en utmaning för praktisk implementering i länder som Brasilien där virus med liknande symptom kräver att vårdgivare undersöker flera olika patogener för att korrekt identifiera orsaken till en patients infektion.

Detta underströk behovet av ett bärbart system som kunde rymma många sensorer i samma diagnostiska test, en funktion som kallas multiplexing. Utmaningen var att multiplexering med färgbaserad signalering inte är praktiskt.

"När du kommer bortom tre färgsignaler, du tar slut på bandbredden för entydig upptäckt. Att flytta in i det elektrokemiska utrymmet ger oss betydligt mer bandbredd för rapportering och signalering. Vi har nu visat att distinkta elektrokemiska signaler kan fungera parallellt och utan överhörning, vilket är ett mycket mer lovande tillvägagångssätt för att skala upp, sa Pardee.

Det nya biohybridsystemet använder icke-optiska reporter-enzymer som finns i 16 mikroliter vätska som paras specifikt med mikromönstrade elektroder på ett litet chip som inte är längre än en tum. Inom detta chip, genkretsbaserade sensorer övervakar närvaron av specifika nukleinsyrasekvenser, som, när den är aktiverad, utlösa produktionen av en av en panel av reporterenzymerna. Enzymerna reagerar sedan med reporter-DNA-sekvenser som sätter igång ett elektrokemiskt svar på elektrodsensorchipset.

Upptäcka antibiotikaresistensgener

Som ett bevis på konceptet, teamet tillämpade det nya tillvägagångssättet för att upptäcka gener för resistens mot colistin antibiotika som nyligen har identifierats i boskap globalt och utgör ett allvarligt hot mot användningen av antibiotika som en sista utväg för behandling av infektion. Fyra separata resistensgener upptäcktes, demonstrating the ability of the system to effectively identify and report each gene independently and also in combination.

For synthetic biologists, this new approach represents a potential technical leap forward. Conventional synthetic biology requires that logic calculations be encoded into the DNA of the gene circuit. This can be painstaking, taking months to years to build complex circuits.

"What makes this combined approach so powerful is that the underlying connectivity of the gene circuit sensor outputs can be re-programmed at will by simply modifying the code at the level of the software rather than at the level of the DNA which is much more difficult and time consuming, " said Shana Kelley, university professor in the Department of Pharmaceutical Sciences at U of T's Leslie Dan Faculty of Pharmacy, whose research group specializes in the development of highly sensitive electrochemical sensors. Bringing biology-based sensing together with electronic-based logic, memory and response elements, has the potential to transform medicine, biotech, academic research, food safety, and other practical applications, Hon sa.

A powerful toolkit for the future

"This new system enables us to detect many different signals simultaneously, which is essential for diagnostics and monitoring systems, " said co-author Alexander A. Green, assistant professor at the Biodesign Institute at Arizona State University. "The electronic output means that in the future it can be readily interfaced technologies like smartphones and distributed sensing arrays that could be brought directly to a patient's bedside."

In Toronto, Pardee and his research group are excited to see where others in the synthetic biology field will take the system. "We've essentially created a new set of tools and opened up a new venue for signaling. Synthetic biology applications are limited at the reporting step and this has been a significant challenge. With this new combined approach, we think we can really accelerate the field and its capacity to improve lives."