I biologi sintetici della Northwestern University hanno sviluppato un dispositivo portatile a basso costo, facile da usare, in pochi minuti può far sapere agli utenti se la loro acqua potabile è sicura da bere. Il nuovo dispositivo funziona utilizzando potenti e programmabili reti genetiche, che imitano i circuiti elettronici, per eseguire una serie di funzioni logiche.
I ricercatori tra i circuiti basati sul DNA, per esempio, hanno ingegnerizzato molecole senza cellule in un convertitore analogico-digitale (ADC), un tipo di circuito onnipresente in quasi tutti i dispositivi elettronici. Il circuito ADC nel dispositivo di qualità dell’acqua, elabora input analogico (contaminanti) e genera un output digitale (un segnale visivo per informare l’utente). La ricerca è stata pubblicata il 17 febbraio 2022 nella rivista Nature Chemical Biology.
Il dispositivo dotato di una serie di otto piccole provette si illumina di verde quando rileva un contaminante. Il numero di provette che si illuminano dipende da quanta contaminazione è presente; se solo una provetta si illumina, allora il campione d’acqua ha un livello di contaminazione in tracce, ma se tutte le otto provette si illuminano, allora l’acqua è gravemente contaminata. In altre parole, la maggiore concentrazione di contaminazione porta a un segnale più elevato.
Julius B. Lucks della Northwestern University che ha guidato la ricerca, ha detto:
«Abbiamo programmato ogni provetta per avere una diversa soglia per le contaminazioni. La provetta con la soglia più bassa si accende sempre, se tutte le provette si accendono, allora c’è un grosso problema».
Julius B. Lucks è professore di ingegneria chimica e biologica alla McCormick School of Engineering della Northwestern University e membro del Center for Synthetic Biology. I co-autori della ricerca includono Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta e Khalid Alam, tutti della Northwestern University.
Rosalind assapora l’acqua con le sue “papille gustative molecolari”
Il nuovo dispositivo chiamato Rosalind si basa sul lavoro che Julius B. Lucks e il suo team hanno pubblicato nel luglio 2020 nella rivista Nature Biotechnology. Il team in quel lavoro, ha introdotto il dispositivo Rosalind (dal nome della famosa chimica Rosalind Franklin e abbreviazione di “sensori di uscita RNA attivati dall’induzione del ligando“), potrebbe rilevare 17 diversi contaminanti in una singola goccia d’acqua.
I ricercatori hanno detto che quando il test rilevava un contaminante che superava gli standard dell’U.S. Environmental Protection Agency, si illuminava di verde oppure no per dare un risultato positivo o negativo semplice e facile da leggere (vedi video).
Julius B. Lucks e il suo team per sviluppare Rosalind hanno impiegato la biologia sintetica senza cellule. I ricercatori con la biologia sintetica, prendono dalle cellule il materiale molecolare – tra cui DNA, RNA e proteine -, e poi lo riprogrammano per eseguire nuovi compiti. Julius B. Lucks all’epoca ha paragonato il funzionamento interno di Rosalind alle “papille gustative molecolari”.
Julius B. Lucks ha detto:
«Abbiamo scoperto come i batteri assaggiano naturalmente le sostanze nella loro acqua, lo fanno con piccole “papille gustative” a livello molecolare. La biologia sintetica senza cellule ci permette di prendere quelle piccole papille molecolari e metterle in una provetta. Possiamo poi “ricablare” per produrre un segnale visivo. Si illumina per permettere all’utente di vedere rapidamente e facilmente se c’è un contaminante nell’acqua».
Cervello molecolare
Ora, nella nuova versione – soprannominata Rosalind 2.0 -, Julius B. Lucks e il suo team hanno aggiunto un “cervello molecolare”.
Julius B. Lucks ha detto:
«La piattaforma iniziale era un biosensore che agiva come una papilla gustativa. Ora abbiamo aggiunto una rete genetica che funziona come un cervello. Il biosensore rileva la contaminazione, ma poi l’uscita 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 e li hanno messi in provette. L’aggiunta di una goccia d’acqua in ogni provetta mette in moto una rete di reazioni e interazioni, che alla fine fa brillare il pallino liofilizzato in presenza di un contaminante.
Julius B. Lucks e il suo team per testare il nuovo sistema, hanno dimostrato che potrebbe rilevare con successo i livelli di concentrazione di zinco, un antibiotico e un metabolita industriale.
Julius B. Lucks ha detto:
«Dare il livello di contaminazione – piuttosto che un semplice risultato positivo o negativo – è importante per informare le strategie di mitigazione. Le persone dopo che abbiamo introdotto Rosalind, hanno detto che volevano una piattaforma che potesse dare anche le quantità di concentrazione. Contaminanti diversi a livelli differenti richiedono un’analisi più approfondita e diverse strategie. Se avete un basso livello di piombo nella vostra acqua, per esempio, allora potreste essere in grado di tollerarlo sciacquando la rete di distribuzione dell’acqua prima di usarla, ma se i livelli sono elevati, allora dovete smettere di bere l’acqua immediatamente e sostituire i tubi di distribuzione dell’acqua».
Responsabilizzare gli individui
Julius B. Lucks e il suo team, in definitiva sperano di dare agli utenti la possibilità di testare regolarmente la propria acqua, con dispositivi portatili e poco costosi come Rosalind, potrebbe presto diventare una realtà.
Julius B. Lucks ha detto:
«È chiaro che abbiamo bisogno di permettere alle persone di avere informazioni per prendere decisioni importanti, a volte salvavita. Lo stiamo vedendo con i test casalinghi per il Covid-19. Le persone hanno bisogno di test casalinghi perché hanno bisogno di queste 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 una tantum perché i livelli di contaminazione possono cambiare nel tempo».