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(zhǎng)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(duì)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(shì)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(hào)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(guó)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(guó)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(shí),。
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(cè)寨卡病毒的平臺(tái),，引起了廣泛關(guān)注?；诤铣傻幕蚓W(wǎng)絡(luò)。將檢測(cè)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(hào)傳遞-顏色變化表明已檢測(cè)到該病毒,。這就給在像巴西這樣的國(guó)家中的實(shí)際實(shí)施提出了挑戰(zhàn)，在這些國(guó)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(duì)便攜式系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)可以在同一診斷測(cè)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(hào),，就會(huì)耗盡帶寬，無法進(jìn)行明確的檢測(cè),。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(hào),。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，獨(dú)特的電化學(xué)信號(hào)可以并行運(yùn)行而不會(huì)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(zhǎng)于一英寸長(zhǎng)的小芯片上的微圖案電極特別配對(duì),。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(huì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(jí)別而不是在DNA級(jí)別簡(jiǎn)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(cè)許多不同的信號(hào),，這對(duì)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,?！?/p>
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(hào)傳遞開辟了新的場(chǎng)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,。”