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(xì)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(gè)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(jìn)行重新編程，以實(shí)現(xiàn)用于醫(yī)療，環(huán)境和制藥應(yīng)用的人造功能。這項(xiàng)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(gè)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(shí)驗(yàn)室(美國德克薩斯大學(xué))的無細(xì)胞合成生物學(xué)，來自Kelley實(shí)驗(yàn)室(美國德克薩斯大學(xué))的電化學(xué)以及來自綠色實(shí)驗(yàn)室(ASU)的傳感器設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識。
帕迪(Pardee)的研究小組專門研究可在實(shí)驗(yàn)室外安全使用的無細(xì)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。基于合成的基因網(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(shí)際實(shí)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(gè)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(jìn)行多路復(fù)用是不切實(shí)際的?！耙坏┇@得了超過三種顏色的信號，就會耗盡帶寬，無法進(jìn)行明確的檢測。進(jìn)入電化學(xué)領(lǐng)域?qū)槲覀兲峁└蟮膸拋磉M(jìn)行報(bào)告和發(fā)出信號。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，獨(dú)特的電化學(xué)信號可以并行運(yùn)行而不會產(chǎn)生串?dāng)_，這是一種更有希望的擴(kuò)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(bào)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(bào)告酶的產(chǎn)生。然后，這些酶與報(bào)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(yán)重威脅。檢測到四個(gè)獨(dú)立的抗性基因，證明了該系統(tǒng)能夠有效地獨(dú)立和組合鑒定和報(bào)告每個(gè)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(jì)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(qiáng)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(fèi)時(shí)”，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(shí)際應(yīng)用的潛力。
亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)和分布式傳感陣列之類的接口技術(shù)直接帶到患者床邊。”
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?shí)質(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(bào)告階段受到限制，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。通過這種新的組合方法，我們認(rèn)為我們可以真正地加速領(lǐng)域及其改善生活的能力?！?/p>