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科学家研发用于无细胞合成生物学的电子化学平台

多伦多大学(University of Toronto)和亚利桑那州立大学(ASU)的科学家通过将无细胞合成生物学与最新的纳米结构电极相结合,开发了第一个直接基因电路与电极的接口。研究结果今天发表在《自然化学》上。长期以来,合成生物学家受到电子领域的概念及其电路和逻辑门的启发,试图对生物系统进行重新编程,以实现用于医疗,环境和制药应用的人造功能。这项新工作将合成生物学领域推向了可以利用各学科优势的生物杂交系统。


“这是基因电路直接与电极耦合的第一个例子,并且是将生物信息转换为电子信号的令人兴奋的工具,” T's Leslie大学药物科学系助理教授Keith Pardee说。丹药学院。创建新系统的跨学科工作汇集了来自Pardee实验室(美国德克萨斯大学)的无细胞合成生物学,来自Kelley实验室(美国德克萨斯大学)的电化学以及来自绿色实验室(ASU)的传感器设计方面的专业知识。

帕迪(Pardee)的研究小组专门研究可在实验室外安全使用的无细胞诊断技术,并在2016年与合作者发布了一种使用纸质快速,便携式和低成本检测寨卡病毒的平台,引起了广泛关注。基于合成的基因网络。将检测Zika病毒的能力带到诊所之外并满足需要是迈出的关键一步,但该方法依赖于常规的光信号传递-颜色变化表明已检测到该病毒。这就给在像巴西这样的国家中的实际实施提出了挑战,在这些国家中,具有相似症状的病毒需要卫生保健提供者筛选几种不同的病原体,以便正确地确定患者感染的原因。

这突出了对便携式系统的需求,该系统可以在同一诊断测试中容纳多个传感器,这种能力称为多路复用。挑战在于采用基于颜色的信令进行多路复用是不切实际的。“一旦获得了超过三种颜色的信号,就会耗尽带宽,无法进行明确的检测。进入电化学领域将为我们提供更大的带宽来进行报告和发出信号。我们现在已经证明,独特的电化学信号可以并行运行而不会产生串扰,这是一种更有希望的扩大规模的方法,”帕迪说。

新的生物杂交系统使用了16微升液体中所含的非光学报告酶,这些酶与长于一英寸长的小芯片上的微图案电极特别配对。在该芯片内,基于基因电路的传感器监视特定核酸序列的存在,这些核酸序列在激活后会触发一组报告酶的产生。然后,这些酶与报告DNA序列发生反应,从而引起电极传感器芯片上的电化学反应。

作为概念的证明,研究小组将这种新方法用于检测最近在全球牲畜中发现的大肠菌素抗生素抗性基因,这对使用抗生素作为感染的最后治疗手段构成了严重威胁。检测到四个独立的抗性基因,证明了该系统能够有效地独立和组合鉴定和报告每个基因的能力。对于合成生物学家来说,这种新方法代表了潜在的技术飞跃。传统的合成生物学要求将逻辑计算编码到基因电路的DNA中。这可能是艰苦的工作,需要数月甚至数年才能构建复杂的电路。

“使这种组合方法如此强大的原因在于,只需在软件级别而不是在DNA级别简单地修改代码,就可以随意重新编程基因电路传感器输出的基础连接性。费时”,该大学的莱斯利丹丹大学药学院药物科学系大学教授Shana Kelley说,他的研究小组专门研究高灵敏度的电化学传感器。她说,将基于生物学的传感技术与基于电子的逻辑,记忆和响应元素结合在一起,具有改变医学,生物技术,学术研究,食品安全和其他实际应用的潜力。

亚利桑那州立大学生物设计研究所的助理教授亚历山大·格林说:“这种新系统使我们能够同时检测许多不同的信号,这对于诊断和监视系统至关重要。” “电子输出意味着将来可以很容易地将诸如智能手机和分布式传感阵列之类的接口技术直接带到患者床边。”

在多伦多,Pardee和他的研究小组很高兴看到合成生物学领域的其他人将采用该系统。“我们实质上已经创建了一套新的工具,并为信号传递开辟了新的场所。合成生物学的应用在报告阶段受到限制,这是一个巨大的挑战。通过这种新的组合方法,我们认为我们可以真正地加速领域及其改善生活的能力。”


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