Pasukan kerjasama yang diketuai oleh Institut Wyss Harvard telah mempelopori platform biologi sintetik yang inovatif untuk mereka bentuk biosensor pendarfluor kontras tinggi, menjanjikan kemajuan yang ketara dalam diagnostik penyakit dan pemantauan alam sekitar.
Dalam kemajuan penting untuk diagnostik perubatan dan pemantauan kesihatan persekitaran, penyelidik yang diketuai oleh Institut Wyss Harvard untuk Kejuruteraan Inspirasi Biologi telah membangunkan platform inovatif yang memudahkan penciptaan biosensor pendarfluor yang sangat cekap. Biosensor ini, yang boleh mengesan protein tertentu, peptida dan molekul kecil dengan meningkatkan pendarfluornya secara mendadak apabila mengikat sasaran, mewakili lonjakan besar ke hadapan dalam biologi sintetik.
Biosensor, peranti yang menggunakan molekul biologi untuk mengenal pasti bahan sasaran, mempunyai aplikasi yang meluas dalam mengesan biomarker penyakit, memantau proses biologi dan mengenal pasti toksin alam sekitar.
Biosensor pendarfluor tradisional, bagaimanapun, menghadapi cabaran kerana probe pendarfluornya yang sentiasa dihidupkan, memerlukan langkah pencucian yang meluas untuk mengasingkan isyarat yang tepat.
Nanosensor pendarfluor diaktifkan pengikat yang baru dibangunkan mengatasi halangan ini dengan hanya menyala apabila mengikat sasaran. Pendekatan transformatif ini meningkatkan kontras biosensor ini, menjadikannya lebih cekap dan praktikal untuk aplikasi dunia sebenar.
"Kami telah lama berusaha untuk mengembangkan kod genetik sel untuk memberikan mereka keupayaan baru untuk membolehkan penyelidikan, bioteknologi dan perubatan dalam bidang yang berbeza, dan kajian ini merupakan lanjutan yang sangat menjanjikan untuk usaha ini secara in vitro," George Church, seorang profesor genetik di Sekolah Perubatan Harvard dan profesor sains kesihatan dan teknologi di Harvard dan MIT dan pengarang utama kajian itu, berkata dalam Siaran akhbar.
Kunci kejayaan ini terletak pada asid amino fluorogenic novel (FgAA) yang disepadukan ke dalam jujukan protein kecil yang mengikat sasaran melalui teknik pengembangan kod genetik yang inovatif. Proses ini, digabungkan dengan penyaringan sensor pemprosesan tinggi, pengesahan dan evolusi terarah, membolehkan pengeluaran biosensor kontras tinggi yang cepat dan kos efektif.
Church menekankan potensi mengganggu platform untuk memanfaatkan pelbagai bidang bioperubatan. Platform ini boleh mengubah pengikat protein menjadi penderia nano dengan kelajuan yang luar biasa, meningkatkan pendarfluor sehingga 100 kali ganda dalam masa kurang dari satu saat, yang merupakan peningkatan ketara berbanding teknologi sedia ada.
"Platform biologi sintetik novel ini menyelesaikan banyak halangan yang menghalang peningkatan protein dengan kimia baharu, seperti yang ditunjukkan oleh biosensor segera yang lebih berkebolehan dan bersedia untuk memberi kesan kepada banyak bidang bioperubatan," tambah Church.
Erkin Kuru, seorang felo penyelidik di Makmal Gereja di Jabatan Genetik Harvard dan pengarang yang pertama dan bersama yang sepadan, menyerlahkan kemajuan pasukan semasa wabak, pada mulanya membayangkan "diagnostik COVID-19 segera" dengan mencipta penderia nano yang menyasarkan SARS- CoV-2 Spike protein.
Pasukan itu kemudiannya mengembangkan penggunaan platform mereka untuk merekayasa penderia nano untuk pelbagai sasaran molekul, mempamerkan kepelbagaian dan potensi kesannya terhadap pembangunan diagnostik dan terapeutik.
Selain itu, lelaran kedua platform dengan ketara meningkatkan keupayaan pemprosesan tinggi dengan menggunakan proses bebas sel yang direka bentuk dan asid amino sintetik pra-fabrikasi dengan perancah fluorogenik, mempercepatkan sintesis dan ujian berjuta-juta calon penderia nano sekaligus.
"Kami mahu mengembangkan ruang reka bentuk molekul kami dengan lebih jauh dengan meningkatkan keupayaan pemprosesan tinggi platform," tambah Kuru, yang mereka capai dengan memasang semula ribosom untuk menggabungkan asid amino sintetik, membolehkan pengeluaran nanosensor pantas dan aplikasi segera tanpa langkah penulenan tambahan.
Pasukan penyelidik menggunakan evolusi terarah untuk memperhalusi lagi penderia nano, mengoptimumkan pertalian dan kekhususannya untuk sasaran yang berbeza, termasuk varian virus SARS-CoV-2 yang lebih baharu.
"Ini adalah langkah penting ke hadapan dalam keupayaan kami untuk mereka bentuk biosensor pendarfluor kos rendah dengan cepat untuk pemantauan penyakit masa nyata dan dengan potensi besar untuk diagnostik dan perubatan ketepatan," Marc Vendrell, pakar dalam kimia translasi dan pengimejan bioperubatan di Universiti of Edinburgh dan pengarang yang sepadan, kata dalam siaran berita.
Kesan teknologi ini menjanjikan untuk mentakrifkan semula strategi diagnostik dan terapeutik, menawarkan penyelesaian yang lebih pantas, lebih cekap dan kos efektif kepada cabaran bioperubatan yang kompleks.
Kajian itu, diterbitkan dalam jurnal Nature Communications, termasuk sumbangan daripada penyelidik Subhrajit Rout, Isaac Han, Abigail Reese, Thomas Bartlett, Fabio De Moline dan lain-lain.