Les contaminants environnementaux comme le fluorure, le plomb et les pesticides existent tout autour de nous et même en nous. Alors que les chercheurs disposent de moyens simples pour mesurer les concentrations de ces contaminants dans les environnements de laboratoire, les niveaux sont beaucoup plus difficiles à tester sur le terrain. C’est parce qu’ils nécessitent un équipement spécialisé coûteux.
Les efforts récents en biologie synthétique ont tiré parti des biocapteurs cellulaires pour détecter et signaler les contaminants environnementaux de manière rentable et déployable sur le terrain. Alors même que des progrès sont réalisés, les scientifiques ont du mal à répondre à la question de savoir comment protéger les composants du capteur des substances qui existent naturellement dans les échantillons extraits.
Une équipe interdisciplinaire de biologistes synthétiques de la Northwestern University développe une plate-forme de capteurs qui sera capable de détecter une gamme de cibles environnementales et biologiques dans des échantillons du monde réel. En utilisant un riboswitch établi pour construire un biocapteur pour le fluorure, l’équipe a découvert qu’ils pouvaient à la fois protéger le capteur et fonctionner de la même manière que les cellules en encapsulant le capteur à l’intérieur d’une membrane grasse.
Dans un nouvel article publié dans la revue Avancées scientifiquesles chercheurs ont démontré qu’en modifiant la composition et la pénétrabilité de la membrane bicouche lipidique, ils pouvaient ajuster et contrôler davantage les performances de leur capteur.
« Tellement de données sont générées, et une grande partie est générée par des applications de santé comme les montres intelligentes », a déclaré Julius Lucks, auteur co-correspondant et professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. « Nous pouvons sentir notre rythme cardiaque, notre température, mais si vous y réfléchissez, nous n’avons vraiment aucun moyen de détecter les choses chimiques. Nous vivons à l’ère de l’information, mais les informations dont nous disposons sont si minuscules – la détection chimique ouvre d’énormes dimensions d’informations que vous pouvez exploiter. »
Lucks est également président associé du département de génie chimique et biologique. Son laboratoire a fait progresser la compréhension du domaine des systèmes moléculaires qui réagissent aux changements environnementaux en étudiant l’ARN et son rôle dans les cellules; comment l’ARN est utilisé par les cellules pour détecter les changements dans leur environnement ; et comment ces concepts peuvent être utilisés dans des systèmes sans cellule pour surveiller l’environnement pour la santé et la durabilité.
La biologie synthétique acellulaire, dans laquelle des systèmes biomoléculaires modifiés sont utilisés pour activer la machinerie biologique plutôt que des cellules vivantes, est convaincante car elle est efficace, polyvalente et peu coûteuse. Lucks a conçu un capteur riboswitch utilisant des extraits de cellules bactériennes pour alimenter les réactions d’expression génique (y compris l’ARN fluorescent ou la protéine qui s’allume en réponse aux contaminants) qui produisent des sorties visuelles à moindre coût et en quelques minutes.
Neha Kamat, professeur adjoint de génie biomédical au sein de McCormick et auteur co-correspondant, a initialement rencontré Lucks lors de l’orientation de leur faculté et était intéressé par son désir d’élargir l’accès à l’information. Kamat, dont l’expertise est dans les membranes techniques et l’assemblage de membranes, s’est demandé si elle pouvait améliorer le système de tubes à essai de Lucks en utilisant une vésicule, une membrane à deux couches.
« Ils utilisent l’ARN et ses machines associées pour détecter des molécules dans de vrais échantillons d’eau et générer des sorties significatives », a déclaré Kamat. « Mon laboratoire travaille beaucoup avec les lipides couramment utilisés pour encapsuler l’ARNm pour l’administration de médicaments, dans le but d’utiliser ces compartiments pour construire davantage de structures de type cellulaire. Nous avons eu l’idée que nous pourrions protéger les interrupteurs de Julius et leur permettre de fonctionner dans des échantillons cela pourrait être un peu sale avec d’autres contaminants, comme une boîte de cellule. »
D’autres chercheurs ont essayé de placer un capteur à l’intérieur d’une membrane, mais l’interrupteur a cessé de fonctionner correctement et a produit un signal beaucoup plus petit car il est difficile de tout mettre dans le petit récipient, puis de le mettre à l’échelle. Pour surmonter cela, l’équipe a modifié la sortie génétique du capteur pour l’amplifier et la colorer, de sorte qu’elle soit visible à l’œil nu et « vous n’avez pas besoin d’un détecteur sophistiqué pour le faire », a déclaré Lucks.
L’encapsulation et la protection sont importantes pour que le capteur fonctionne dans des environnements natifs, comme un canal d’eaux usées avec beaucoup d’autres contaminants pour éroder l’interrupteur. Ce serait un exemple de « détection distribuée », qui pourrait aider dans des domaines allant de l’agriculture à la santé humaine.
Le groupe s’est réuni plus officiellement lorsqu’il a reçu le prix d’innovation Cornew du Northwestern’s Chemistry of Life Processes Institute (CLP) en présentant son idée « potentiellement perturbatrice » au conseil consultatif du CLP.
Lucks appelle ce projet un « point de départ » à partir duquel ils pourront intégrer des capteurs dans plus de matériaux, y compris des matériaux « intelligents » qui peuvent changer de propriétés, comme en biologie.
« En tant que biologistes synthétiques, l’un de nos principaux thèmes est d’identifier les défis et de se tourner vers la nature », a déclaré Lucks. « Qu’est-ce qu’il fait déjà ? Pouvons-nous tirer parti de cela et lui faire faire plus pour répondre à nos besoins ? »
Le fluorure est devenu un choix évident car il existe une molécule d’ARN naturelle qui le détecte, permettant à l’équipe de concevoir un mécanisme plus simple. Mais à l’avenir, Kamat et Lucks ont de grandes ambitions quant à l’endroit où l’utilisation des capteurs peut se développer.
Par exemple, les capteurs pourraient traverser le corps humain pour détecter de petites molécules et des biomarqueurs avant que le capteur ne soit récupéré par l’urine ou une autre méthode passive. Il pourrait également détecter les niveaux de nitrate dans le sol et aider à surveiller le ruissellement. Au-delà de cela, Lucks et Kamat sont ravis de voir des utilisations dans la science des matériaux telles que la robotique douce, en réfléchissant à la façon de construire quelque chose qui ressemble à un papillon qui sent à travers ses pieds.
Plus d’information:
Margrethe A. Boyd et al, Performance robuste et réglable d’un biocapteur sans cellule encapsulé dans des vésicules lipidiques, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.add6605