Verontreinigingsdetectie Tool combineert synthetische biologie en nanotech voor ultrasgevoelige watertests

Een platform dat bijna 20 jaar geleden werd ontwikkeld, eerder gebruikt om eiwitinteracties met DNA te detecteren en nauwkeurige COVID-19-testen te uitvoeren, is herbestemd om een ​​zeer gevoelig hulpmiddel voor waterverontreiniging te creëren.

De technologie combineert twee spannende velden – Synthetische biologie en nanotechnologie – om een ​​nieuw platform te creëren voor chemische monitoring. Wanneer afgestemd om verschillende verontreinigingen te detecteren, kan de technologie de metalen lood en cadmium detecteren in concentraties tot respectievelijk twee en één delen per miljard in enkele minuten.

Het papier was Deze week gepubliceerd in het tijdschrift ACS nano en vertegenwoordigt onderzoek van meerdere disciplines binnen de McCormick School of Engineering in Northwestern.

De test is gemaakt door nanomechanische microcantilevers te interfaceren met synthetische biosensoren. De kleine cantilevers zijn gemaakt van silicium en gemakkelijk reproduceerbaar. Wanneer ze worden gecoat met speciaal ontworpen DNA -moleculen, binden biosensingmoleculen genaamd transcriptiefactoren aan het DNA, waardoor de cantilevers buigen. Wanneer ze worden blootgesteld aan doelchemicaliën, is de transcriptiefactor Biosensors Unbind, waardoor de cantilever “debend” is, die precies kan worden gemeten om de chemicaliën te detecteren.

De microcantilever-technologie werd gecombineerd met die van de noordwestelijke synthetische bioloog Julius Lucks, die een celvrije biosensor heeft gebouwd en gekweekt genaamd Rosalind (kort voor “RNA-uitgangssensoren geactiveerd door ligandinductie”). Het eerste model zou 17 verschillende verontreinigingen kunnen voelen met slechts een enkele druppel water, gloeiend groen wanneer een verontreiniging de normen van het Amerikaanse Environmental Protection Agency overschreed.

De Rosalind-technologie is gebaseerd op dezelfde transcriptiefactor biosensoren, die zijn geconfigureerd om genexpressie te regelen in een celvrije reactie door bindend en niet-bindend DNA.

Tijdens de coronavirus-pandemie zag Lucks de microcantilever-technologie op het werk toen deze werd aangepast door professoren Vinayak P. Dravid en Gajendra Shekhawat om SARS-COV-2 nauwkeurig te detecteren. Onder de indruk, dacht Lucks misschien door deze cantilevers te coaten met Lucks Lab-Engineered DNA, hij kon de cantilevers activeren om chemische toxines te detecteren. Door componenten van de twee tools te combineren, creëerde het McCormick-duo-samen met de eerste auteur en postdoc Dilip Agarwal en afgestudeerde student Tyler Lucci-een ultrasgevoelige test voor waterverontreinigingen.

“Dit zijn micro- en nanosystemen die niet veel viraal materiaal nodig hebben om een ​​verschil te maken,” zei Dravid Dravid in het noordwesten van nanotechnologie. “Microcantilevers kunnen u binnen twee of drie minuten een snellere ommekeer geven, omdat ze gebruikmaken van specifieke affiniteitsoppervlakbinding. En in tegenstelling tot de meeste beschikbare sensoren die op slechts één eiwit afhankelijk zijn, kunnen we tegelijkertijd naar meerdere doelen kijken.”

Het team is gestart met het testen van tetracycline omdat de frequentie waarmee het in synthetische biologie wordt gebruikt, een diepe kennisbasis heeft kunnen ontwikkelen over hoe tetracycline zich gedraagt ​​en vervolgens overgaat om lood en cadmium te voelen tot slechts enkele delen per miljard, een record voor biosensor -detectiebenaderingen.

De teams hopen de technologie verder te vereenvoudigen, die nu gespecialiseerde apparatuur vereist om de microscopische buigbewegingen te visualiseren. Uiteindelijk denken ze dat het apparaat kan worden gegeneraliseerd voor gebruik bij de monitoring van de menselijke gezondheid voor toxines in het lichaam en de milieucontexten, zoals het verhogen van normen voor het drinken van waterveiligheid.