Des scientifiques de l'Université de Toronto (U of T) et de l'Arizona State University (ASU) ont mis au point le premier circuit gène direct à l'interface électrode en combinant la biologie synthétique sans cellule avec des électrodes nanostructurées de pointe.

Les résultats de l'étude ont été publiés aujourd'hui dans Chimie de la nature .

Longtemps inspiré des concepts du domaine de l'électronique, avec ses circuits et portes logiques, les biologistes synthétiques ont cherché à reprogrammer les systèmes biologiques pour effectuer des fonctions artificielles à des fins médicales, environnemental, et applications pharmaceutiques. Ce nouveau travail déplace le domaine de la biologie synthétique vers des systèmes biohybrides qui peuvent tirer parti des avantages de chaque discipline.

"C'est le premier exemple d'un circuit de gène étant directement couplé à des électrodes, et est un outil passionnant pour la conversion d'informations biologiques en un signal électronique, " a déclaré Keith Pardee, professeur adjoint au département des sciences pharmaceutiques de la faculté de pharmacie Leslie Dan de l'Université de Toronto.

L'effort interdisciplinaire pour créer le nouveau système a réuni l'expertise en biologie synthétique sans cellules du laboratoire Pardee (U de T), électrochimie du Kelley lab (U of T) et conception de capteurs du Green lab (ASU).

Surmonter les limites pratiques de la signalisation optique

Pardee, dont le groupe de recherche est spécialisé dans le développement de technologies de diagnostic sans cellule pouvant être utilisées en toute sécurité en dehors du laboratoire, a reçu une large attention en 2016 lorsque lui et ses collaborateurs ont publié une plate-forme pour le rapide, détection portable et peu coûteuse du virus Zika à l'aide de réseaux de gènes synthétiques sur papier.

Apporter la capacité de détecter le virus Zika en dehors de la clinique et au point de besoin a été un pas en avant crucial, mais l'approche reposait sur la signalisation optique conventionnelle - un changement de couleur pour indiquer que le virus avait été détecté. Cela a posé un défi pour la mise en œuvre pratique dans des pays comme le Brésil, où les virus présentant des symptômes similaires nécessitent que les prestataires de soins de santé recherchent plusieurs agents pathogènes différents afin d'identifier correctement la cause de l'infection d'un patient.

Cela a mis en évidence le besoin d'un système portable pouvant accueillir de nombreux capteurs dans le même test de diagnostic, une capacité connue sous le nom de multiplexage. Le défi était que le multiplexage avec une signalisation basée sur la couleur n'est pas pratique.

"Une fois que vous avez dépassé les trois signaux de couleur, vous manquez de bande passante pour une détection sans ambiguïté. Le passage dans l'espace électrochimique nous donne beaucoup plus de bande passante pour les rapports et la signalisation. Nous avons maintenant montré que des signaux électrochimiques distincts peuvent fonctionner en parallèle et sans diaphonie, qui est une approche beaucoup plus prometteuse pour la mise à l'échelle, " dit Pardée.

Le nouveau système biohybride utilise des enzymes rapporteurs non optiques contenues dans 16 microlitres de liquide qui s'associent spécifiquement avec des électrodes à micromotifs hébergées sur une petite puce d'une longueur maximale d'un pouce. Dans cette puce, des capteurs basés sur des circuits géniques surveillent la présence de séquences d'acides nucléiques spécifiques, lequel, lorsqu'il est activé, déclencher la production de l'un des groupes d'enzymes rapporteurs. Les enzymes réagissent ensuite avec des séquences d'ADN rapporteur qui déclenchent une réponse électrochimique sur la puce du capteur d'électrode.

Détecter les gènes de résistance aux antibiotiques

Comme preuve de concept, l'équipe a appliqué la nouvelle approche pour détecter les gènes de résistance aux antibiotiques de la colistine qui ont été récemment identifiés chez le bétail à l'échelle mondiale et représentent une menace sérieuse pour l'utilisation de l'antibiotique comme traitement de dernier recours pour l'infection. Quatre gènes de résistance distincts ont été détectés, démontrant la capacité du système à identifier et à signaler efficacement chaque gène indépendamment et également en combinaison.

Pour les biologistes synthétiques, cette nouvelle approche représente un bond en avant technique potentiel. La biologie synthétique conventionnelle exige que les calculs logiques soient codés dans l'ADN du circuit génétique. Cela peut être pénible, prendre des mois voire des années pour construire des circuits complexes.

"Ce qui rend cette approche combinée si puissante, c'est que la connectivité sous-jacente des sorties des capteurs du circuit génique peut être reprogrammée à volonté en modifiant simplement le code au niveau du logiciel plutôt qu'au niveau de l'ADN, ce qui est beaucoup plus difficile. et chronophage, " a déclaré Shana Kelley, professeur d'université au département des sciences pharmaceutiques de la faculté de pharmacie Leslie Dan de l'Université de Toronto, dont le groupe de recherche est spécialisé dans le développement de capteurs électrochimiques très sensibles. Rassembler la détection basée sur la biologie avec la logique électronique, éléments de mémoire et de réponse, a le potentiel de transformer la médecine, biotechnologies, recherche académique, la sécurité alimentaire, et d'autres applications pratiques, elle a dit.

Une boîte à outils puissante pour l'avenir

"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."