Cientistas da Universidade de Toronto (U of T) e da Arizona State University (ASU) desenvolveram o primeiro circuito de gene direto para interface de eletrodo combinando biologia sintética livre de células com eletrodos nanoestruturados de última geração.

Os resultados do estudo foram publicados hoje em Química da Natureza .

Inspirado por muito tempo em conceitos da área de eletrônica, com seus circuitos e portas lógicas, biólogos sintéticos têm procurado reprogramar sistemas biológicos para realizar funções artificiais para médicos, de Meio Ambiente, e aplicações farmacêuticas. Este novo trabalho move o campo da biologia sintética para sistemas biohíbridos que podem aproveitar os benefícios de cada disciplina.

"Este é o primeiro exemplo de um circuito gênico sendo diretamente acoplado a eletrodos, e é uma ferramenta interessante para a conversão de informações biológicas em um sinal eletrônico, "disse Keith Pardee, professor assistente do Departamento de Ciências Farmacêuticas da Faculdade de Farmácia Leslie Dan da U of T.

O esforço interdisciplinar para criar o novo sistema reuniu experiência em biologia sintética livre de células do laboratório Pardee (U of T), eletroquímica do laboratório Kelley (U de T) e projeto do sensor do laboratório Green (ASU).

Superando os limites práticos da sinalização óptica

Pardee, cujo grupo de pesquisa é especializado no desenvolvimento de tecnologias de diagnóstico sem células que podem ser usadas com segurança fora do laboratório, recebeu grande atenção em 2016, quando ele e colaboradores lançaram uma plataforma para o rápido, detecção portátil e de baixo custo do vírus Zika usando redes de genes sintéticos baseadas em papel.

Levar a capacidade de detectar o vírus Zika fora da clínica e ao ponto de necessidade foi um passo crucial à frente, mas a abordagem dependia de sinalização ótica convencional - uma mudança na cor para indicar que o vírus havia sido detectado. Isso representou um desafio para a implementação prática em países como o Brasil, onde vírus com sintomas semelhantes exigem que os profissionais de saúde façam a triagem de vários patógenos diferentes para identificar corretamente a causa da infecção de um paciente.

Isso destacou a necessidade de um sistema portátil que pudesse acomodar muitos sensores no mesmo teste de diagnóstico, um recurso conhecido como multiplexação. O desafio era que a multiplexação com sinalização baseada em cores não era prática.

"Depois de ultrapassar os três sinais de cor, você fica sem largura de banda para detecção inequívoca. Mover-se para o espaço eletroquímico nos dá muito mais largura de banda para relatórios e sinalização. Agora mostramos que sinais eletroquímicos distintos podem operar em paralelo e sem diafonia, que é uma abordagem muito mais promissora para expansão, "disse Pardee.

O novo sistema biohíbrido usa enzimas repórter não ópticas contidas em 16 microlitros de líquido que emparelham especificamente com eletrodos micropadronizados hospedados em um pequeno chip de não mais que uma polegada de comprimento. Dentro deste chip, sensores baseados em circuitos de genes monitoram a presença de sequências de ácido nucleico específicas, que, quando ativado, acionar a produção de um de um painel das enzimas repórter. As enzimas então reagem com sequências de DNA repórter que desencadeiam uma resposta eletroquímica no chip sensor do eletrodo.

Detecção de genes de resistência a antibióticos

Como prova de conceito, a equipe aplicou a nova abordagem para detectar genes de resistência a antibióticos colistina, que foram recentemente identificados em gado em todo o mundo e representam uma séria ameaça ao uso do antibiótico como último recurso no tratamento de infecções. Quatro genes de resistência separados foram detectados, demonstrando a capacidade do sistema de identificar e relatar com eficácia cada gene independentemente e também em combinação.

Para biólogos sintéticos, esta nova abordagem representa um salto técnico potencial. A biologia sintética convencional requer que os cálculos lógicos sejam codificados no DNA do circuito genético. Isso pode ser trabalhoso, levando meses a anos para construir circuitos complexos.

"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, ela disse.

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."

Em 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."