多倫多大學(University of Toronto)和亞利桑那州立大學(ASU)的科學家通過將無細胞合成生物學與最新的納米結構電極相結合，開發了第一個直接基因電路與電極的接口。研究結果今天發表在《自然化學》上。長期以來，合成生物學家受到電子領域的概念及其電路和邏輯門的啟發，試圖對生物系統進行重新編程，以實現用于醫療，環境和制藥應用的人造功能。這項新工作將合成生物學領域推向了可以利用各學科優勢的生物雜交系統。

　　“這是基因電路直接與電極耦合的第一個例子，并且是將生物信息轉換為電子信號的令人興奮的工具，” T's Leslie大學藥物科學系助理教授Keith Pardee說。丹藥學院。創建新系統的跨學科工作匯集了來自Pardee實驗室(美國德克薩斯大學)的無細胞合成生物學，來自Kelley實驗室(美國德克薩斯大學)的電化學以及來自綠色實驗室(ASU)的傳感器設計方面的專業知識。

　　帕迪(Pardee)的研究小組專門研究可在實驗室外安全使用的無細胞診斷技術，并在2016年與合作者發布了一種使用紙質快速，便攜式和低成本檢測寨卡病毒的平臺，引起了廣泛關注。基于合成的基因網絡。將檢測Zika病毒的能力帶到診所之外并滿足需要是邁出的關鍵一步，但該方法依賴于常規的光信號傳遞-顏色變化表明已檢測到該病毒。這就給在像巴西這樣的國家中的實際實施提出了挑戰，在這些國家中，具有相似癥狀的病毒需要衛生保健提供者篩選幾種不同的病原體，以便正確地確定患者感染的原因。

　　這突出了對便攜式系統的需求，該系統可以在同一診斷測試中容納多個傳感器，這種能力稱為多路復用。挑戰在于采用基于顏色的信令進行多路復用是不切實際的。“一旦獲得了超過三種顏色的信號，就會耗盡帶寬，無法進行明確的檢測。進入電化學領域將為我們提供更大的帶寬來進行報告和發出信號。我們現在已經證明，獨特的電化學信號可以并行運行而不會產生串擾，這是一種更有希望的擴大規模的方法，”帕迪說。

　　新的生物雜交系統使用了16微升液體中所含的非光學報告酶，這些酶與長于一英寸長的小芯片上的微圖案電極特別配對。在該芯片內，基于基因電路的傳感器監視特定核酸序列的存在，這些核酸序列在激活后會觸發一組報告酶的產生。然后，這些酶與報告DNA序列發生反應，從而引起電極傳感器芯片上的電化學反應。

　　作為概念的證明，研究小組將這種新方法用于檢測最近在全球牲畜中發現的大腸菌素抗生素抗性基因，這對使用抗生素作為感染的最后治療手段構成了嚴重威脅。檢測到四個獨立的抗性基因，證明了該系統能夠有效地獨立和組合鑒定和報告每個基因的能力。對于合成生物學家來說，這種新方法代表了潛在的技術飛躍。傳統的合成生物學要求將邏輯計算編碼到基因電路的DNA中。這可能是艱苦的工作，需要數月甚至數年才能構建復雜的電路。

　　“使這種組合方法如此強大的原因在于，只需在軟件級別而不是在DNA級別簡單地修改代碼，就可以隨意重新編程基因電路傳感器輸出的基礎連接性。費時”，該大學的萊斯利丹丹大學藥學院藥物科學系大學教授Shana Kelley說，他的研究小組專門研究高靈敏度的電化學傳感器。她說，將基于生物學的傳感技術與基于電子的邏輯，記憶和響應元素結合在一起，具有改變醫學，生物技術，學術研究，食品安全和其他實際應用的潛力。

　　亞利桑那州立大學生物設計研究所的助理教授亞歷山大·格林說：“這種新系統使我們能夠同時檢測許多不同的信號，這對于診斷和監視系統至關重要。” “電子輸出意味著將來可以很容易地將諸如智能手機和分布式傳感陣列之類的接口技術直接帶到患者床邊。”

　　在多倫多，Pardee和他的研究小組很高興看到合成生物學領域的其他人將采用該系統。“我們實質上已經創建了一套新的工具，并為信號傳遞開辟了新的場所。合成生物學的應用在報告階段受到限制，這是一個巨大的挑戰。通過這種新的組合方法，我們認為我們可以真正地加速領域及其改善生活的能力。”