A interface, descrita em um estudo recente na  Nature Chemistry ,  combina a capacidade da biologia de sentir com os recursos de memória e tomada de decisão dos sistemas eletra´nicos.

Ha¡ muito inspirados em conceitos do campo da eletra´nica, os bia³logos sintanãticos procuram reprogramar sistemas biola³gicos para realizar funções artificiais para aplicações médicas, ambientais e farmacaªuticas.

"Este éo primeiro exemplo de um circuito genanãtico sendo diretamente acoplado a eletrodos, e éuma ferramenta interessante para a conversão de informações biológicas em um sinal eletra´nico", disse Keith Pardee , professor assistente da Faculdade de Farma¡cia Leslie Dan da Universidade de Toronto.

O esfora§o interdisciplinar para criar o novo sistema reuniu conhecimentos em biologia sintanãtica sem células do laboratório de Pardee, eletroquímica do laboratório da professora Shana Kelley da Universidade da Universidade de T  e projeto de sensores no laboratório de Alexander Green, professor assistente da Universidade Estadual do Arizona . 

Pardee, cujo grupo de pesquisa éespecializado no desenvolvimento de tecnologias de diagnóstico sem células que podem ser usadas com segurança fora do laboratório, recebeu ampla atenção em 2016, quando ele e seus colaboradores lançaram uma plataforma para a detecção rápida, porta¡til e de baixo custo do va­rus Zika usando papel redes genanãticas sintanãticas baseadas em

Levar a capacidade de detectar o va­rus Zika fora da cla­nica ao ponto de necessidade foi um passo crucial, mas a abordagem se baseou na sinalização a³ptica convencional - uma mudança na cor para indicar que o va­rus havia sido detectado. Isso representou um desafio para a implementação prática empaíses como o Brasil, onde va­rus com sintomas semelhantes exigem que os profissionais de saúde rastreiem vários patógenos diferentes para identificar corretamente a causa da infecção de um paciente. 

Isso destacou a necessidade de um sistema porta¡til que pudesse acomodar muitos sensores no mesmo teste de diagnóstico, um recurso conhecido como multiplexação. O desafio era que a multiplexação com sinalização baseada em cores não é prática .

“Quando vocêultrapassa os sinais de três cores, fica sem largura de banda para detecção inequa­voca. Mudar para o espaço eletroqua­mico nos da¡ uma largura de banda significativamente maior para relatórios e sinalização. Agora mostramos que sinais eletroquímicos distintos podem operar em paralelo e sem diafonia, o que éuma abordagem muito mais promissora para aumentar a escala ”, disse Pardee.  

O novo sistema bio-ha­brido usa enzimas repa³rter não a³pticas contidas em 16 microlitros de la­quido, que emparelham-se especificamente com eletrodos microdados hospedados em um pequeno chip, com no ma¡ximo 2,5 cm de comprimento. Nesse chip, os sensores baseados em circuitos gaªnicos monitoram a presença de sequaªncias especa­ficas de a¡cidos nucleicos, que, quando ativadas, desencadeiam a produção de um dos painanãis das enzimas repa³rteres. As enzimas reagem com sequaªncias de DNA repa³rter que desencadeiam uma resposta eletroquímica no chip do sensor de eletrodo.

Peivand Sadat Mousavi , um candidato a PhD no laboratório de Pardee, adquiriu as enzimas individuais necessa¡rias para que a plataforma funcionasse.

"Criamos a interface redirecionando as enzimas normalmente encontradas no sistema imunológico bacteriano. As enzimas cortam o DNA como uma tesoura e éassim que as fazemos produzir sinais eletroquí­micos", disse ela.

Como prova de conceito, a equipe aplicou a nova abordagem para detectar genes de resistência a antibia³ticos da colistina, que foram recentemente identificados em animais em todo o mundo e representam uma sanãria ameaça ao uso de antibia³ticos como tratamento de última insta¢ncia para a infecção. Foram detectados quatro genes de resistência separados, demonstrando a capacidade do sistema de identificar e relatar efetivamente cada gene de forma independente e também em combinação.

“O que torna essa abordagem combinada tão poderosa éque a conectividade subjacente das saa­das dos sensores do circuito genanãtico pode ser reprogramada a  vontade, modificando simplesmente o ca³digo noníveldo software e não no DNA, o que émuito mais difa­cil e demorado ”, disse Kelley, cujo grupo de pesquisa éespecializado no desenvolvimento de sensores eletroquímicos altamente sensa­veis.

Combinar o sensor baseado em biologia com a lógica eletra´nica, os elementos de memória e resposta tem o potencial de transformar medicina, biotecnologia, pesquisa acadaªmica, segurança alimentar e outras aplicações prática s, acrescentou Kelley.

"Este novo sistema nos permite detectar muitos sinais diferentes simultaneamente, o que éessencial para sistemas de diagnóstico e monitoramento", disse o co-autor Green do Instituto de Biodesign da Arizona State University. "A saa­da eletra´nica significa que, no futuro, ela podera¡ ser facilmente conectada a tecnologias como smartphones e matrizes sensoriais distribua­das que podem ser levadas diretamente para a cabeceira do paciente".

Pardee e seu grupo de pesquisa estãoentusiasmados em ver para onde outros no campo da biologia sintanãtica levara£o o sistema.

"Criamos essencialmente um novo conjunto de ferramentas e abrimos um novo local para sinalização", disse Pardee. "Com essa nova abordagem combinada, acreditamos que podemos realmente acelerar o campo e sua capacidade de melhorar vidas".