.
Contaminantes ambientais como flúor, chumbo e pesticidas existem por toda parte e até mesmo dentro de nós. Embora os pesquisadores tenham maneiras simples de medir as concentrações de tais contaminantes em ambientes de laboratório, os níveis são muito mais difíceis de testar em campo. Isso porque eles exigem equipamentos especializados caros.
Esforços recentes em biologia sintética alavancaram biossensores celulares para detectar e relatar contaminantes ambientais de maneira econômica e implantável em campo. Mesmo com o progresso, os cientistas lutam para responder à questão de como proteger os componentes do sensor de substâncias que existem naturalmente nas amostras extraídas.
Uma equipe interdisciplinar de biólogos sintéticos da Northwestern University está desenvolvendo uma plataforma de sensores capaz de detectar uma variedade de alvos ambientais e biológicos em amostras do mundo real. Usando um riboswitch estabelecido para construir um biossensor para flúor, a equipe descobriu que eles poderiam proteger o sensor e operar de maneira semelhante à maneira como as células encapsulam o sensor dentro de uma membrana gordurosa.
Em um novo artigo publicado hoje (4 de janeiro) na revista Avanços da ciênciaos pesquisadores demonstraram que, ao modificar a composição e a penetrabilidade da membrana da bicamada lipídica, eles poderiam ajustar e controlar ainda mais o desempenho de seu sensor.
“Tantos dados estão sendo gerados, e muitos deles estão sendo conduzidos por aplicativos de saúde, como relógios inteligentes”, disse Julius Lucks, autor correspondente e professor de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering da Northwestern. “Podemos sentir nossos batimentos cardíacos, nossa temperatura, mas se você pensar sobre isso, realmente não temos como sentir coisas químicas. Estamos vivendo na era da informação, mas a informação que temos é tão minúscula – a detecção química abre enormes dimensões de informação que você pode explorar.”
Lucks também é o presidente associado do departamento de engenharia química e biológica. Seu laboratório avançou a compreensão do campo dos sistemas moleculares que respondem às mudanças ambientais estudando o RNA e seu papel nas células; como o RNA é usado pelas células para detectar mudanças em seu ambiente; e como esses conceitos podem ser usados em sistemas livres de células para monitorar o meio ambiente para saúde e sustentabilidade.
A biologia sintética livre de células, na qual sistemas biomoleculares projetados são usados para ativar máquinas biológicas em vez de células vivas, é atraente porque é eficiente, versátil e de baixo custo. Lucks projetou um sensor riboswitch usando extratos de células bacterianas para alimentar reações de expressão gênica (incluindo RNA fluorescente ou proteína que acende em resposta a contaminantes) que produzem resultados visuais de forma barata e em minutos.
Neha Kamat, professora assistente de engenharia biomédica na McCormick e co-autora correspondente, conheceu Lucks originalmente na orientação do corpo docente e estava interessada em seu desejo de expandir o acesso à informação. Kamat, cuja especialidade é em membranas projetadas e montagem de membranas, se perguntou se poderia melhorar o sistema de tubos de ensaio de Lucks usando uma vesícula, uma membrana com duas camadas.
“Eles estão usando o RNA e seu maquinário associado para detectar moléculas em amostras reais de água e gerar resultados significativos”, disse Kamat. “Meu laboratório trabalha muito com os lipídios comumente usados para encapsular mRNA para entrega de drogas, com o objetivo de usar esses compartimentos para construir estruturas mais semelhantes a células. Tínhamos a ideia de que poderíamos proteger os interruptores de Julius e permitir que eles funcionassem em amostras isso pode estar meio sujo com outros contaminantes, como uma célula pode.”
Outros pesquisadores tentaram colocar um sensor dentro de uma membrana, mas o interruptor parou de funcionar corretamente e produziu um sinal muito menor porque é difícil encaixar tudo dentro do pequeno recipiente e depois aumentá-lo. Para superar isso, a equipe modificou a saída genética no sensor para amplificá-la e colori-la, de modo que seja visível a olho nu e “você não precisa de um detector sofisticado para fazer isso”, disse Lucks.
O encapsulamento e a proteção são importantes para que o sensor funcione em ambientes nativos, como um canal de águas residuais com muitos outros contaminantes para corroer o interruptor. Este seria um exemplo de “sensoriamento distribuído”, que poderia ajudar em áreas como agricultura e saúde humana.
O grupo se reuniu mais oficialmente quando receberam o prêmio Cornew Innovation do Northwestern Chemistry of Life Processes Institute (CLP) ao apresentar sua ideia “potencialmente disruptiva” ao conselho consultivo do CLP. A equipe ganhou financiamento inicial para tirar sua ideia do papel.
Lucks chama este projeto de “ponto de partida” a partir do qual eles serão capazes de incorporar sensores em mais materiais, incluindo materiais “inteligentes” que podem alterar propriedades, como na biologia.
“Como biólogos sintéticos, um de nossos principais temas é identificar desafios e olhar para a natureza”, disse Lucks. “O que ele já está fazendo? Podemos construir isso e fazer mais para atender às nossas necessidades?”
O flúor se tornou uma escolha óbvia porque há uma molécula de RNA natural que o detecta, permitindo que a equipe projete um mecanismo mais simples. Mas, no futuro, Kamat e Lucks têm grandes ambições sobre onde o uso dos sensores pode se expandir.
Por exemplo, os sensores podem fluir através do corpo humano para detectar pequenas moléculas e biomarcadores antes que o sensor seja recuperado através da urina ou outro método passivo. Ele também pode detectar níveis de nitrato no solo e ajudar no monitoramento do escoamento. Além disso, Lucks e Kamat estão entusiasmados em ver usos na ciência dos materiais, como a robótica leve, pensando em como construir algo semelhante a uma borboleta que cheira pelos pés.
O artigo, “Desempenho robusto e ajustável de um biossensor livre de células encapsulado em vesículas lipídicas”, foi apoiado pelo CLP, pela National Science Foundation (números de concessão 1844219, 1844336 e 2145050) e pelo Departamento de Defesa dos EUA. Companheirismo. Margrethe A. Boyd e Walter Thavarajah (da Northwestern) também foram co-autores do estudo.
.
