Computer DNA valuta la qualità dell'acqua

I biologi sintetici della Northwestern University hanno sviluppato un Computer DNA portatile a basso costo, facile da usare che può far sapere agli utenti, in pochi minuti, se la loro acqua è sicura da bere.

Tra i circuiti basati sul DNA, ad esempio, i ricercatori hanno ingegnerizzato molecole prive di cellule in un convertitore analogico-digitale (analog-to-digital converter - ADC), un tipo di circuito onnipresente che si trova in quasi tutti i dispositivi elettronici. Nel dispositivo per la qualità dell'acqua, il circuito ADC elabora un ingresso analogico (contaminanti) e genera un'uscita digitale (un segnale visivo per informare l'utente).

Dotato di una serie di otto piccole provette, il dispositivo, descritto in un articolo pubblicato da Nature Chemical Biology, (1) si illumina di verde quando rileva un contaminante. Il numero di tubi che si illuminano dipende dalla quantità di contaminazione presente. Se solo una provetta si illumina, il campione d'acqua ha un livello di contaminazione in tracce. Ma se tutti e otto i tubi si illuminano, l'acqua è gravemente contaminata. In altre parole, la maggiore concentrazione di contaminazione porta a un segnale più elevato.

«Abbiamo programmato ogni provetta per avere una soglia di contaminazione diversa», ha affermato il dottor Julius B. Lucks (2) della Northwestern, che ha guidato la ricerca. «Il tubo con la soglia più bassa si accenderà sempre. Se tutti i tubi si accendono, allora c'è un grosso problema. La costruzione di circuiti e il calcolo del DNA programmabile aprono molte possibilità per altri tipi di diagnostica intelligente».

Incontra ROSALIND

Il nuovo sistema si basa sul lavoro che il dottor Lucks e il suo team hanno pubblicato su Nature Biotechnology (3) nel luglio 2020. In quel lavoro, il team ha introdotto ROSALIND (dal nome della famosa chimica Rosalind Franklin (4) e abbreviazione di “sensori di uscita RNA attivati dall'induzione del ligando”), che potrebbe percepire 17 diversi contaminanti in una singola goccia d'acqua. Quando il test ha rilevato un contaminante che supera gli standard dell'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, si è illuminato in verde o meno per fornire un risultato positivo o negativo semplice e di facile lettura.

Per sviluppare ROSALIND, Julius B. Lucks e il suo team hanno utilizzato la biologia sintetica priva di cellule. Con la biologia sintetica, i ricercatori estraggono dalle cellule i macchinari molecolari, inclusi DNA, RNA e proteine, e quindi riprogrammano quei macchinari per eseguire nuovi compiti. All'epoca, Lucks paragonò i meccanismi interni di ROSALIND a “papille gustative molecolari”.

Lo scienziato aggiunge: «Abbiamo scoperto come i batteri assaporano naturalmente le cose nella loro acqua. Lo fanno con piccole “papille gustative” a livello molecolare. La biologia sintetica priva di cellule ci consente di estrarre quelle piccole papille gustative molecolari e metterle in una provetta. Possiamo quindi “ricablarli” per produrre un segnale visivo. Si illumina per consentire all'utente di vedere rapidamente e facilmente se c'è un contaminante nell'acqua».

Cervello molecolare

Ora, nella nuova versione - soprannominata ROSALIND 2.0 - Lucks e il suo team hanno aggiunto un “cervello molecolare”.

Secondo il dottor Julius B. Lucks, «La piattaforma iniziale era un biosensore, che si comportava come una papilla gustativa. Ora abbiamo aggiunto una rete genetica che funziona come un cervello. Il biosensore rileva la contaminazione, ma poi l'output del biosensore alimenta la rete genetica, o circuito, che funziona come un cervello per eseguire la logica».

I ricercatori hanno liofilizzato i “cervelli molecolari” riprogrammati per renderli stabili a scaffale e li hanno inseriti in provette. L'aggiunta di una goccia d'acqua a ciascuna provetta innesca una rete di reazioni e interazioni, che alla fine fanno brillare il pellet liofilizzato in presenza di un contaminante.

Per testare il nuovo sistema, Lucks e il suo team hanno dimostrato che potrebbe rilevare con successo i livelli di concentrazione di zinco, un antibiotico e un metabolita industriale. «Dare il livello di contaminazione, piuttosto che un semplice risultato positivo o negativo, è importante per informare le strategie di mitigazione», ha affermato Lucks.

«Dopo aver introdotto ROSALIND, le persone hanno affermato di volere una piattaforma che potesse anche fornire importi di concentrazione», ha affermato. «Diversi contaminanti a diversi livelli richiedono strategie diverse. Ad esempio, se hai un basso livello di piombo nell'acqua, potresti essere in grado di tollerarlo sciacquando le linee dell'acqua prima di usarle. Ma se hai livelli elevati, devi smettere di bere immediatamente l'acqua e sostituire la fonte dell'acqua».

Potenziare gli individui

In definitiva, Lucks e il suo team sperano di consentire alle persone di testare regolarmente la propria acqua. Con dispositivi portatili economici come ROSALIND, ciò potrebbe presto diventare realtà.

«È chiaro che dobbiamo consentire alle persone con informazioni di prendere decisioni importanti, a volte salvavita», ha affermato Lucks. «Lo stiamo vedendo con i test domiciliari per COVID-19. Le persone hanno bisogno di test a casa perché hanno bisogno di tali informazioni in modo rapido e regolare. È simile con l'acqua. Ci sono molti casi in cui la qualità dell'acqua deve essere misurata regolarmente. Non è una cosa una tantum perché i livelli di contaminazione possono cambiare nel tempo».

Lo studio, “Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits”, è stato supportato dai seguenti enti: U.S. Department of Defense, dal National Science Foundation, dal Crown Family Center for Jewish e l'Israel Studies e dai Searle Funds presso il Chicago Community Trust.

Julius B. Lucks è professore di ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering (5) della Northwestern e membro del Center for Synthetic Biology. (6) I coautori del documento includono Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta e Khalid Alam, tutti della Northwestern.

Riferimenti:

(1) Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits

(2) Julius B. Lucks

(3) One-drop test for water contamination

(4) Rosalind Franklin

(5) Northwestern's McCormick School of Engineering

(6) Center for Synthetic Biology - Northwestern University

Descrizione foto: DNA computer. - Credit: Northwestern University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New DNA computer assesses water quality