Nueva computadora de ADN evalúa la calidad del agua

En la imagen: Los tubos de ensayo que contienen muestras de agua brillan en verde dentro de un iluminador, lo que indica contaminación. Crédito: Universidad Northwestern

 

Los biólogos sintéticos de la Universidad Northwestern han desarrollado un dispositivo portátil de bajo costo y fácil de usar que puede informar a los usuarios, en cuestión de minutos, si su agua es segura para beber.

 

El nuevo dispositivo funciona mediante el uso de redes genéticas potentes y programables, que imitan los circuitos electrónicos , para realizar una serie de funciones lógicas.

 

Entre los circuitos basados ​​en ADN, por ejemplo, los investigadores diseñaron moléculas libres de células en un convertidor de analógico a digital (ADC), un tipo de circuito ubicuo que se encuentra en casi todos los dispositivos electrónicos. En el dispositivo de calidad del agua , el circuito ADC procesa una entrada analógica (contaminantes) y genera una salida digital (una señal visual para informar al usuario).

 

La investigación se publicará el 17 de febrero en la revista Nature Chemical Biology.

 

Equipado con una serie de ocho pequeños tubos de ensayo, el dispositivo se ilumina en verde cuando detecta un contaminante. La cantidad de tubos que brillan depende de la cantidad de contaminación presente. Si solo brilla un tubo, entonces la muestra de agua tiene un nivel mínimo de contaminación. Pero si los ocho tubos brillan, entonces el agua está gravemente contaminada. En otras palabras, la mayor concentración de contaminación conduce a una señal más alta.

 

"Programamos cada tubo para que tuviera un umbral diferente de contaminación", dijo Julius B. Lucks de Northwestern, quien dirigió la investigación. "El tubo con el umbral más bajo se encenderá todo el tiempo. Si todos los tubos se encienden, entonces hay un gran problema. La construcción de circuitos y la computación de ADN programable abre muchas posibilidades para otros tipos de diagnósticos inteligentes".

 

Lucks es profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y miembro del Centro de Biología Sintética. Los coautores del artículo incluyen a Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta y Khalid Alam, todos de Northwestern.

 

Conoce a ROSALIND

 

El nuevo sistema se basa en el trabajo que Lucks y su equipo publicaron en Nature Biotechnology en julio de 2020. En ese trabajo, el equipo presentó ROSALIND (llamado así por la famosa química Rosalind Franklin y abreviatura de "sensores de salida de ARN activados por inducción de ligandos"), que podría detecta 17 contaminantes diferentes en una sola gota de agua. Cuando la prueba detectó un contaminante que excedía los estándares de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., se iluminó en verde o no para dar un resultado positivo o negativo simple y fácil de leer.

 

Para desarrollar ROSALIND, Lucks y su equipo emplearon biología sintética libre de células. Con la biología sintética, los investigadores extraen la maquinaria molecular, incluidos el ADN, el ARN y las proteínas, de las células y luego la reprograman para realizar nuevas tareas. En ese momento, Lucks comparó el funcionamiento interno de ROSALIND con "papilas gustativas moleculares".

 

"Descubrimos cómo las bacterias prueban naturalmente las cosas en su agua", dijo. "Lo hacen con pequeñas 'papilas gustativas' a nivel molecular. La biología sintética libre de células nos permite sacar esas pequeñas papilas gustativas moleculares y ponerlas en un tubo de ensayo. Luego podemos "reconectarlas" para producir una señal visual. Brilla para que el usuario pueda ver rápida y fácilmente si hay un contaminante en el agua".

 

Capacidad mental molecular

 

Ahora, en la nueva versión, denominada ROSALIND 2.0, Lucks y su equipo han agregado un "cerebro molecular".

 

"La plataforma inicial era un biosensor, que actuaba como una papila gustativa", dijo Lucks. "Ahora hemos agregado una red genética que funciona como un cerebro. El biosensor detecta la contaminación, pero luego la salida del biosensor alimenta la red o circuito genético, que funciona como un cerebro para realizar la lógica".

 

Los investigadores liofilizaron los "cerebros moleculares" reprogramados para que se mantuvieran estables y los pusieron en tubos de ensayo. Agregar una gota de agua a cada tubo desencadena una red de reacciones e interacciones, lo que finalmente hace que el gránulo liofilizado brille en presencia de un contaminante.

 

Para probar el nuevo sistema, Lucks y su equipo demostraron que podía detectar con éxito los niveles de concentración de zinc, un antibiótico y un metabolito industrial. Dar el nivel de contaminación, en lugar de un simple resultado positivo o negativo, es importante para informar las estrategias de mitigación, dijo Lucks.

"Después de que presentamos ROSALIND, la gente dijo que quería una plataforma que también pudiera dar cantidades de concentración", dijo. "Diferentes contaminantes en diferentes niveles requieren diferentes estrategias. Si tiene un nivel bajo de plomo en el agua, por ejemplo, entonces podría tolerarlo enjuagando las líneas de agua antes de usarlas. Pero si tiene niveles altos, entonces debe dejar de beber su agua inmediatamente y reemplazar su línea de agua".

 

Empoderando a las personas

En última instancia, Lucks y su equipo esperan empoderar a las personas para que analicen su propia agua con regularidad. Con dispositivos portátiles de bajo costo como ROSALIND, eso pronto puede convertirse en una realidad.

 

"Está claro que necesitamos permitir que las personas con información tomen decisiones importantes que a veces salvan vidas", dijo Lucks. "Estamos viendo eso con las pruebas caseras para COVID-19. Las personas necesitan pruebas caseras porque necesitan esa información rápida y regularmente. Es similar con el agua. Hay muchos casos en los que la calidad del agua debe medirse de forma rutinaria. Es no es una cosa de una sola vez porque los niveles de contaminación pueden cambiar con el tiempo".

 

El estudio, "Programación de biosensores sin células con circuitos de desplazamiento de cadenas de ADN", se publicó en Nature Chemical Biology .

 

Publicación: 18/febrero/2022

Fuente:
Phys.org

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