Una computadora portátil de ADN puede evaluar la calidad del agua

Los biólogos sintéticos de la Universidad Northwestern han desarrollado un dispositivo portátil económico y fácil de usar que les permite a los usuarios saber, en solo 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 variedad 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 omnipresente 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 Naturaleza Química Biología.

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

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

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

Conoce a ROSALINDA

El nuevo sistema se basa en trabajo que Lucks y su equipo han publicado en Biotecnología natural en julio de 2020. En este 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 podía detectar 17 contaminantes diferentes en una sola gota de agua. Cuando la prueba detecta un contaminante que excede los estándares de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., se ilumina en verde o no para dar un resultado positivo o negativo simple y fácil de leer.

Para desarrollar ROSALIND, Lucks y su equipo utilizaron biología sintética libre de células. Con la biología sintética, los investigadores extraen maquinaria molecular, incluidos ADN, ARN y proteínas, de las células y luego reprograman esa maquinaria 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 eliminar estas pequeñas papilas gustativas moleculares y ponerlas en un tubo de ensayo. Luego podemos “reconectarlos” para producir una señal visual. Brilla para permitir que el usuario vea rápida y fácilmente si hay un contaminante en el agua.

inteligencia 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 genética, o circuitos, que funcionan 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 la tableta liofilizada 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 solo un resultado positivo o negativo, es importante para informar las estrategias de mitigación, dijo Lucks.

“Después de presentar ROSALIND, la gente dijo que querían una plataforma que también pudiera brindar mucho enfoque”, dijo. “Diferentes contaminantes en diferentes niveles requieren diferentes estrategias. Si tiene un nivel bajo de plomo en el agua, por ejemplo, puede tolerarlo enjuagando las tuberías de agua antes de usarlas. Pero si tiene niveles altos, debe dejar de beber su agua inmediatamente y reemplazar su línea de agua.

Empoderar a las personas

En última instancia, Lucks y su equipo esperan empoderar a las personas para que prueben regularmente su propia agua. Con dispositivos portátiles económicos como ROSALIND, esto podría convertirse pronto en una realidad.

“Claramente, necesitamos empoderar a las personas con información para que tomen decisiones importantes que a veces salvan vidas”, dijo Lucks. “Estamos viendo esto con las pruebas caseras para COVID-19. Las personas necesitan pruebas caseras porque necesitan esta información de manera rápida y regular. Es lo mismo con el agua. Hay muchos casos en los que la calidad del agua debe medirse periódicamente. Esto no es una cosa de una sola vez, ya que los niveles de contaminación pueden cambiar con el tiempo.

Referencia: Jung JK, Archuleta CM, Alam KK, Lucks JB. Programación de biosensores libres de células con circuitos de desplazamiento de hebras de ADN. Nat Chem Biol. 2022: 1-9. Yo: 10.1038/s41589-021-00962-9

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