Gli ingegneri segnalano progetti di sensori di biomarcatori umani a basso costo — ScienceDaily

Il team ha pubblicato i risultati in Comunicazioni sulla natura, unendo gli sforzi di Howard Salis, professore associato di ingegneria biologica, ingegneria chimica e ingegneria biomedica; Grace Vezeau, che ha conseguito un dottorato in ingegneria biologica presso la Penn State nel 2021; e Lipika Gadila, che ha conseguito una laurea in ingegneria chimica presso la Penn State nel 2018.

I risultati dimostrano che i sensori basati sull’RNA possono essere progettati per rilevare proteine ​​biomarcatrici umane, tra cui la proteina C-reattiva monomerica, che è coinvolta in condizioni infiammatorie croniche come malattie cardiache e artrite, e l’interleuchina-32 gamma, una proteina di segnalazione per le infezioni acute come virus o infezioni batteriche. Secondo Salis, tali sensori potrebbero essere utilizzati per sviluppare dispositivi per test diagnostici.

“Questi test possono aiutare un medico a diagnosticare un paziente, ma è più informativo eseguire periodicamente più misurazioni di biomarcatori nell’arco di diverse settimane”, ha affermato Salis. “In questo momento, un test può essere costoso e si sommano. Con la nostra nuova tecnologia basata sull’RNA, ora è possibile eseguire le stesse misurazioni per molto meno”.

La tecnologia è una combinazione di un sistema di espressione senza cellule e di sensori ingegnerizzati basati su RNA chiamati riboswitch. I sistemi di espressione senza cellule contengono macchinari cellulari per leggere il DNA e produrre proteine, ma non sono limitati dalle membrane cellulari e consentono alle proteine ​​voluminose di entrare liberamente. I riboswitch sono progettati per legarsi a una proteina biomarker e regolare l’attivazione o la repressione di un segnale osservabile. Il riboswitch stesso è prodotto all’interno del sistema di espressione privo di cellule dalle istruzioni del DNA. Complessivamente, il costo di questi materiali è di circa un dollaro per reazione.

Secondo Salis, questa è la prima volta che i ricercatori hanno progettato un sensore riboswitch per rilevare proteine ​​​​biomarker. La sfida, ha detto, è trovare le migliori istruzioni del DNA per generare i sensori proteici più sensibili.

“Gli sforzi passati per progettare tali sensori di riboswitch si sono basati in gran parte sulla sperimentazione per tentativi ed errori, ad esempio, costruendo e caratterizzando grandi librerie casuali per identificare le varianti di riboswitch – i modelli genetici e gli aptameri – che funzionano meglio”, ha detto Salis. “Utilizzando una combinazione di modellazione termodinamica e ottimizzazione computazionale, abbiamo progettato razionalmente nuovi riboswitch che dovrebbero essere eccellenti sensori proteici e poi li abbiamo testati. Il nostro algoritmo di progettazione si chiama Riboswitch Calculator”.

Salis ei ricercatori hanno testato la loro nuova tecnologia per rilevare tre proteine: MS2, una piccola proteina trovata in un fago batterico, come prova di principio; e i biomarcatori rilevanti dal punto di vista medico della proteina C-reattiva monomerica umana e dell’interleuchina-32 gamma umana. I ricercatori hanno progettato 32 riboswitch, la maggior parte dei quali ha rilevato con successo le loro proteine ​​bersaglio.

“I test attuali richiedono reagenti di rilevamento costosi, strumenti costosi e ingombranti, stoccaggio e distribuzione della catena del freddo dei campioni e personale addestrato”, ha affermato Salis. “Applicando la modellazione e la progettazione computazionale, abbiamo progettato sensori proteici a basso costo che possono essere liofilizzati e reidratati. Il prossimo passo è sviluppare un dispositivo facile da usare che consenta a ricercatori e medici di utilizzare questa nuova tecnologia”.

Salis è anche affiliato con i Penn State Institutes of Energy and Environment.

La Defense Advanced Research Projects Agency e l’Air Force Office of Scientific Research hanno sostenuto questa ricerca.