Des tubes à essai contenant des échantillons d’eau s’illuminent en vert dans un illuminateur, indiquant une contamination. Crédit : Université Northwestern
Les réseaux génétiques imitent les circuits électroniques pour réaliser une série de fonctions logiques.
Équipé d’une série de huit petits tubes à essai, l’appareil s’illumine en vert lorsqu’il détecte un contaminant. Le nombre de tubes qui s’allument dépend de la quantité de contamination présente. Si un seul tube s’allume, cela signifie que l’échantillon d’eau est contaminé à l’état de trace. Mais si les huit tubes s’allument, l’eau est gravement contaminée. En d’autres termes, plus la concentration de contamination est élevée, plus le signal est élevé.
“Nous avons programmé chaque tube pour qu’il ait un seuil différent de contamination”, a déclaré Julius B. Lucks, de l’école d’ingénierie McCormick, qui a dirigé les recherches. “Le tube dont le seuil est le plus bas s’allumera tout le temps. Si tous les tubes s’allument, alors il y a un gros problème”. Construire des circuits et des DNA computing opens up many possibilities for other types of smart diagnostics.”
Lucks is a professor of chemical and biological engineering at Nothwestern Engineering and a member of the Center for Synthetic Biology. The paper’s co-authors include Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta, and Khalid Alam — all from Northwestern.
Testing water from an area affected by wildfires in California. Credit: Northwestern University
Meet ROSALIND
The new system builds off work that Lucks and his team published in Nature Biotechnology in July 2020. In that work, the team introduced ROSALIND (named after famed chemist Rosalind Franklin and short for “RNA output sensors activated by ligand induction”), which could sense 17 different contaminants in a single drop of water. When the test detected a contaminant exceeding the US Environmental Protection Agency’s standards, it either glowed green or not to give a simple, easy-to-read positive or negative result.
To develop ROSALIND, Lucks and his team employed cell-free synthetic biology. With synthetic biology, researchers take molecular machinery — including DNA, RNA, and proteins — out of cells, and then reprogram that machinery to perform new tasks. At the time, Lucks likened ROSALIND’s inner workings to “molecular taste buds.”
“Nous avons découvert comment les bactéries goûtent naturellement les choses dans leur eau”, a-t-il déclaré. Elles le font avec de petites “papilles” au niveau moléculaire. La biologie synthétique sans cellules nous permet de retirer ces petites papilles moléculaires et de les placer dans un tube à essai. Nous pouvons ensuite les “recâbler” pour produire un signal visuel. Il brille pour permettre à l’utilisateur de voir rapidement et facilement s’il y a un contaminant dans l’eau.”
La matière grise moléculaire
Dans la nouvelle version – baptisée ROSALIND 2.0 – Lucks et son équipe ont ajouté un “cerveau moléculaire”.
“La plateforme initiale était un biocapteur, qui agissait comme un bourgeon de goût”, a déclaré Lucks. “Maintenant, nous avons ajouté un réseau génétique qui fonctionne comme un cerveau. Le biocapteur détecte la contamination, mais ensuite la sortie du biocapteur alimente le réseau génétique, ou circuit, qui fonctionne comme un cerveau pour effectuer la logique.”
Il existe de nombreux cas où la qualité de l’eau doit être mesurée de façon régulière. Il ne s’agit pas d’une mesure ponctuelle, car les niveaux de contamination peuvent changer au fil du temps. – Julius Lucks, professeur de génie chimique et biologique.
Les chercheurs ont lyophilisé les “cerveaux moléculaires” reprogrammés pour les rendre stables et les ont placés dans des tubes à essai. L’ajout d’une goutte d’eau dans chaque tube déclenche un réseau de réactions et d’interactions, qui finit par faire briller la pastille lyophilisée en présence d’un contaminant.
Pour tester le nouveau système, Lucks et son équipe ont démontré qu’il pouvait détecter avec succès des niveaux de concentration de zinc, d’un antibiotique et d’un métabolite industriel. Donner le niveau de contamination – plutôt qu’un simple résultat positif ou négatif – est important pour informer les stratégies d’atténuation, a déclaré M. Lucks.
“Après que nous ayons présenté ROSALIND, les gens ont dit qu’ils voulaient une plate-forme qui puisse également donner des quantités de concentration”, a-t-il déclaré. “Différents contaminants à différents niveaux nécessitent différentes stratégies. Si vous avez un faible niveau de plomb dans votre eau, par exemple, vous pouvez le tolérer en rinçant vos conduites d’eau avant de les utiliser. Mais si vous avez des niveaux élevés, alors vous devez arrêter de boire votre eau immédiatement et remplacer votre conduite d’eau.”
Responsabiliser les individus
En fin de compte, Lucks et son équipe espèrent donner aux individus les moyens d’analyser régulièrement leur propre eau. Avec des appareils portatifs peu coûteux comme ROSALIND, cela pourrait bientôt devenir une réalité.
“Il est clair que nous devons permettre aux gens de disposer d’informations pour prendre des décisions importantes, parfois vitales”, a déclaré M. Lucks. “C’est ce que nous constatons avec les tests à domicile pour COVID-19. People need at-home tests because they need that information quickly and regularly. It’s similar with water. There are many cases where water quality needs to be measured routinely. It’s not a one-time thing because contamination levels can change over time.”
Reference: “Programming Cell-free Biosensors with DNA Strand Displacement Circuits” by Jaeyoung K. Jung, Chloé M. Archuleta, Khalid K. Alam and Julius B. Lucks, 17 February 2022, Nature Chemical Biology.
DOI: 10.1038/s41589-021-00962-9
The study was supported by the US Department of Defense, the National Science Foundation, the Crown Family Center for Jewish and Israel Studies, and the Searle Funds at The Chicago Community Trust.
