Engenheiros relatam projetos de sensores de biomarcadores humanos de baixo custo – ScienceDaily

Pesquisadores da Penn State desenvolveram uma tecnologia baseada em RNA de baixo custo para detectar e medir biomarcadores, que podem ajudar a decodificar a fisiologia do corpo. A presença de biomarcadores de proteínas pode indicar condições crônicas ou agudas, de artrite a câncer e infecções bacterianas, para as quais os testes convencionais podem custar de US$ 100 a mais de US$ 1.000. A nova tecnologia pode realizar a mesma medição por cerca de um dólar.

A equipe publicou seus resultados em Natureza Comunicações, combinando os esforços de Howard Salis, professor associado de engenharia biológica, engenharia química e engenharia biomédica; Grace Vezeau, que obteve um doutorado em engenharia biológica pela Penn State em 2021; e Lipika Gadila, que se formou em engenharia química pela Penn State em 2018.

Os resultados demonstram que os sensores baseados em RNA podem ser projetados para detectar proteínas biomarcadoras humanas, incluindo proteína C reativa monomérica, que está envolvida em condições inflamatórias crônicas, como doenças cardíacas e artrite, e interleucina-32 gama, uma proteína sinalizadora para infecções agudas. como vírus ou infecções bacterianas. Segundo Salis, esses sensores poderiam ser usados ​​para desenvolver dispositivos para testes de diagnóstico.

“Esses testes podem ajudar um clínico a diagnosticar um paciente, mas é mais informativo realizar várias medições de biomarcadores periodicamente ao longo de várias semanas”, disse Salis. “No momento, um teste pode ser caro e eles se somam. Com nossa nova tecnologia baseada em RNA, agora é possível realizar as mesmas medições por muito menos”.

A tecnologia é uma combinação de um sistema de expressão livre de células e sensores baseados em RNA projetados chamados riboswitches. Os sistemas de expressão sem células contêm maquinário celular para ler o DNA e produzir proteínas, mas não são restritos pelas membranas celulares e permitem que proteínas volumosas entrem livremente. Os riboswitches são projetados para se ligar a uma proteína biomarcadora e regular a ativação ou repressão de um sinal observável. O próprio riboswitch é produzido dentro do sistema de expressão livre de células a partir de instruções de DNA. Ao todo, o custo desses materiais é de cerca de um dólar por reação.

De acordo com Salis, esta é a primeira vez que os pesquisadores projetaram um sensor riboswitch para detectar proteínas biomarcadoras. O desafio, disse ele, é descobrir as melhores instruções de DNA para gerar os sensores de proteína mais sensíveis.

“Esforços anteriores para projetar esses sensores de riboswitch dependeram amplamente da experimentação de tentativa e erro, por exemplo, construindo e caracterizando grandes bibliotecas aleatórias para identificar variantes de riboswitch – os projetos genéticos e aptâmeros – que funcionam melhor”, disse Salis. “Usando uma combinação de modelagem termodinâmica e otimização computacional, projetamos racionalmente novos riboswitches que se prevê serem excelentes sensores de proteína e então os testamos. Nosso algoritmo de design é chamado de Riboswitch Calculator.”

Salis e os pesquisadores testaram sua nova tecnologia para detectar três proteínas: MS2, uma pequena proteína encontrada em um fago bacteriano, como um teste de prova de princípio; e os biomarcadores clinicamente relevantes proteína C reativa monomérica humana e interleucina-32 gama humana. Os pesquisadores projetaram 32 riboswitches, a maioria dos quais detectou com sucesso suas proteínas-alvo.

“Os ensaios atuais requerem reagentes de detecção caros, instrumentos caros e volumosos, armazenamento e distribuição de amostras em cadeia fria e pessoal treinado”, disse Salis. “Aplicando modelagem e design computacional, projetamos sensores de proteína de baixo custo que podem ser liofilizados e reidratados. O próximo passo é desenvolver um dispositivo fácil de usar que permita que pesquisadores e médicos usem essa nova tecnologia.”

A Salis também é afiliada aos Institutos de Energia e Meio Ambiente da Penn State.

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea apoiaram esta pesquisa.

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