Der Verstärkungstrick macht den Nachweis von Wassertoxinen zehnmal empfindlicher

Ein ausgestecktes elektrisches Instrument mag funktionieren, aber es klingt viel besser, wenn es an einen Verstärker angeschlossen wird. Ebenso können Toxine und andere kleine Moleküle in geringen Konzentrationen in der Umwelt oder im menschlichen Körper leise Signale aussenden, die ohne spezielle Labortechnologie nicht nachweisbar sind.

Dank eines „coolen Tricks“ in der Biochemie, mit dem eine Sensorplattform angepasst wurde, die bereits von Wissenschaftlern aus dem Nordwesten zur Messung von Toxinen im Trinkwasser eingesetzt wird, können Forscher nun Chemikalien in Konzentrationen erkennen und sogar messen, die niedrig genug sind, um außerhalb des Labors verwendet zu werden. Durch die Anbringung einer Schaltung, die einem Lautstärkeregler ähnelt, um schwache Signale „aufzudrehen“, hat das Team die Tür geöffnet, damit das System zur Erkennung und Überwachung von Krankheiten im menschlichen Körper auf Nukleinsäuren wie DNA und RNA sowie auf Bakterien wie z als E. coli.

Die Ergebnisse beschreiben ein System, das zehnmal empfindlicher ist als frühere zellfreie Sensoren, die das Team entwickelt hat veröffentlicht im Tagebuch Naturchemische Biologie.

„Aus der Natur umfunktionierte Biosensoren können im Prinzip ein ganzes Spektrum an Schadstoffen und Markern für die menschliche Gesundheit erkennen, obwohl sie ohnehin oft nicht empfindlich genug sind“, sagte Julius Lucks, korrespondierender Autor und synthetischer Biologe aus dem Nordwesten. „Durch das Hinzufügen genetischer Schaltkreise, die wie ein Verstärker wirken, können wir dafür sorgen, dass diese Biosensorplattform die Empfindlichkeitsniveaus erreicht, die für die Anwendung in der Überwachung der Umwelt und der menschlichen Gesundheit erforderlich sind.“

Lucks ist Professor für Chemie- und Biotechnik an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Co-Direktor des Center for Synthetic Biology.

Entwicklung eines „Schwangerschaftstests für Wasser“

Das ursprüngliche Modell von ROSALIND konnte 17 verschiedene Schadstoffe in einem einzigen Wassertropfen erkennen und leuchtete grün, wenn ein Schadstoff die Standards der US-Umweltschutzbehörde überschritt. Ein zweites Modell ermöglichte es der Plattform, verschiedene Konzentrationen von Schadstoffen zu berechnen und so etwas Anspruchsvolleres als einen „Schwangerschaftstest für Wasser“ zu schaffen.

Lucks und sein Team nutzten einen Ansatz namens zellfreie synthetische Biologie, um ROSALIND zu erschaffen, bei dem molekulare Maschinen – wie DNA, RNA und Proteine ​​– aus Zellen entfernt und dann neu programmiert werden, um neue Aufgaben auszuführen.

Ein nützlicher Fehler im System

Synthetische Biologen, die mit DNA und RNA arbeiten, stoßen oft auf einen nicht hilfreichen Erzfeind namens T7-RNA-Polymerase-Enzym, dessen Rolle Lucks beim Aussenden von Ausgangssignalen mit der Radiobatterie vergleicht. Bei den meisten kann das Enzym auch wie ein Käfer im System wirken, indem es RNA-Schnipsel auffrisst, die es nicht sollte, und verheerende Schäden an den Schaltkreisen der Nukleinsäuren anrichtet. Aber Lucks fragte sich, ob es zu ihrem Vorteil genutzt werden könnte.

Lucks nutzt die Geschichte des Transistorradios, um Fortschritte in der von seinem Team entwickelten Sensorplattform namens ROSALIND zu erklären (benannt nach der Chemikerin Rosalind Franklin und Kurzform für „RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction“).

„Sie könnten das erste Transistorradio in Ihrem Elektronik-101-Kurs bauen, und es empfängt ein Funksignal, aber es hat alle möglichen Probleme“, sagte Lucks. „Wenn Sie hinter einen Baum gehen, verlieren Sie das Signal, und wenn Sie sich der Quelle nähern, wird es lauter. In zukünftigen Generationen dieses Radios wurden zusätzliche elektronische Schaltkreise hinzugefügt, um diese Dinge zu steuern und zu korrigieren. Diese Iteration ist Im Grunde wurde dem Radio ein Lautstärkeregler hinzugefügt.

Mit einem Signalverstärkungstrick aus der DNA-Nanotechnologie, der es einem Schaltkreis ermöglicht, seine Eingaben zu recyceln und wiederzugeben, fanden die Forscher eine Methode, um das Signal eines Eingabemoleküls zu verstärken. Wenn ein Signal erzeugt wird, frisst der „Käfer“ es und recycelt es, wodurch ein weiteres Signal erzeugt wird. Das Ergebnis ermöglichte es dem Team, Moleküle – wie Antibiotika und Schwermetalle – in einem Bruchteil der Konzentration wie bei früheren Iterationen nachzuweisen.

„Wir haben ein neues System zur Signalverstärkung in ROSALIND entwickelt“, sagte die Erstautorin Jenni Li, eine Ph.D. Kandidat im Lucks-Labor. „Dank eines coolen Tricks in der Biochemie können wir so das System dafür sensibilisieren, Verbindungen in niedrigeren Konzentrationen zu erkennen, ohne das eigentliche Biosensor-Protein zu verändern. Dies geschieht alles in Nukleinsäure-‚Schaltkreisen‘.“ ROSALIND 3.0 ist jetzt empfindlicher und kann Nukleinsäuren erkennen, während es zuvor nur niedermolekulare Verbindungen erkennen konnte.“

ROSALIND bei der Arbeit

Frühere Iterationen von ROSALIND werden bereits in realen Umgebungen eingesetzt; zum Beispiel in einer laufenden Feldstudie im Raum Chicago zum Nachweis von Blei im Trinkwasser. Laut Lucks lassen sich neue Elemente des „3.0“-Modells des Teams problemlos auf dieses und andere Projekte anwenden.

„Wir entwickeln ROSALIND auch zur Erkennung von Markern für die menschliche Gesundheit, der Lebensmittelqualität und landwirtschaftlichen Verbindungen und eröffnen so Möglichkeiten für den Einsatz dieser Plattformtechnologie“, sagte Lucks. „Dieser neue Sensibilisierungsansatz ist allgemeingültig, was bedeutet, dass wir in Zukunft schneller in der Lage sein werden, Sensoren zu entwickeln, die Verbindungen in verwertbaren Mengen erkennen können.“