Des ingénieurs rapportent des conceptions de capteurs de biomarqueurs humains à faible coût

L’équipe a publié ses résultats dans Communication Nature, combinant les efforts d’Howard Salis, professeur agrégé de génie biologique, de génie chimique et de génie biomédical; Grace Vezeau, qui a obtenu un doctorat en génie biologique de Penn State en 2021 ; et Lipika Gadila, qui a obtenu un baccalauréat ès sciences en génie chimique de Penn State en 2018.

Les résultats démontrent que les capteurs basés sur l’ARN peuvent être conçus pour détecter les protéines biomarqueurs humaines, y compris la protéine C-réactive monomérique, qui est impliquée dans les maladies inflammatoires chroniques telles que les maladies cardiaques et l’arthrite, et l’interleukine-32 gamma, une protéine de signalisation pour les infections aiguës. comme les virus ou les infections bactériennes. Selon Salis, de tels capteurs pourraient être utilisés pour développer des dispositifs de tests de diagnostic.

“Ces tests peuvent aider un clinicien à diagnostiquer un patient, mais il est plus informatif d’effectuer périodiquement plusieurs mesures de biomarqueurs sur plusieurs semaines”, a déclaré Salis. “En ce moment, un test peut coûter cher, et ils s’additionnent. Grâce à notre nouvelle technologie basée sur l’ARN, il est désormais possible d’effectuer les mêmes mesures pour beaucoup moins cher.”

La technologie est une combinaison d’un système d’expression acellulaire et de capteurs à base d’ARN appelés riboswitches. Les systèmes d’expression sans cellule contiennent une machinerie cellulaire pour lire l’ADN et produire des protéines, mais ils ne sont pas limités par les membranes cellulaires et permettent aux protéines volumineuses d’entrer librement. Les ribocommutateurs sont conçus pour se lier à une protéine biomarqueur et réguler l’activation ou la répression d’un signal observable. Le riboswitch lui-même est produit à l’intérieur du système d’expression acellulaire à partir des instructions de l’ADN. Au total, le coût de ces matériaux est d’environ un dollar par réaction.

Selon Salis, c’est la première fois que des chercheurs ont conçu un capteur riboswitch pour détecter des protéines biomarqueurs. Le défi, a-t-il dit, est de trouver les meilleures instructions d’ADN pour générer les capteurs de protéines les plus sensibles.

“Les efforts passés pour concevoir de tels capteurs de riboswitch se sont largement appuyés sur l’expérimentation par essais et erreurs, par exemple, la construction et la caractérisation de grandes bibliothèques aléatoires pour identifier les variantes de riboswitch – les plans génétiques et les aptamères – qui fonctionnent le mieux”, a déclaré Salis. “En utilisant une combinaison de modélisation thermodynamique et d’optimisation informatique, nous avons conçu de manière rationnelle de nouveaux riboswitches qui devraient être d’excellents capteurs de protéines, puis nous les avons testés. Notre algorithme de conception s’appelle le Riboswitch Calculator.”

Salis et les chercheurs ont testé leur nouvelle technologie pour détecter trois protéines : MS2, une petite protéine trouvée dans un phage bactérien, comme test de preuve de principe ; et les biomarqueurs médicalement pertinents, la protéine C-réactive monomère humaine et l’interleukine-32 gamma humaine. Les chercheurs ont conçu 32 ribocommutateurs, dont la plupart ont détecté avec succès leurs protéines cibles.

“Les tests actuels nécessitent des réactifs de détection coûteux, des instruments coûteux et encombrants, le stockage et la distribution d’échantillons dans la chaîne du froid et un personnel qualifié”, a déclaré Salis. « En appliquant la modélisation et la conception informatique, nous avons conçu des capteurs de protéines à faible coût qui peuvent être lyophilisés et réhydratés. La prochaine étape consiste à développer un appareil facile à utiliser qui permet aux chercheurs et aux cliniciens d’utiliser cette nouvelle technologie.

Salis est également affilié aux Penn State Institutes of Energy and Environment.

La Defense Advanced Research Projects Agency et le Air Force Office of Scientific Research ont soutenu cette recherche.