Pesquisadores desenvolvem tecnologia “Nanopore-Tal” que permite que as células se comuniquem com os computadores

Pesquisadores desenvolvem tecnologia “Nanopore-Tal” que permite que as células se comuniquem com os computadores

Pipetando NanoporeTERS

Pesquisadores da Universidade de Washington e da Microsoft introduziram uma nova classe de proteínas repórter que podem ser lidas diretamente por um dispositivo de detecção nanopore disponível comercialmente. Aqui, o estudante de doutorado da UW Nicolas Cardozo pipeta uma solução contendo NanoporeTERs em um dispositivo portátil MinION enquanto o professor assistente de pesquisa da UW, Jeff Nivala, observa. Crédito: Dennis Wise / Universidade de Washington

Proteínas repórter geneticamente codificadas têm sido um pilar da pesquisa biotecnológica, permitindo aos cientistas rastrear a expressão gênica, entender processos intracelulares e depurar circuitos genéticos projetados.

Mas os esquemas convencionais de relatórios que dependem de fluorescência e outras abordagens ópticas vêm com limitações práticas que podem lançar uma sombra sobre o progresso futuro do campo. Agora, pesquisadores do universidade de Washington e a Microsoft criou um “nanopore-tal” para o que está acontecendo dentro desses sistemas biológicos complexos, permitindo aos cientistas ver as proteínas repórter sob uma luz totalmente nova.

A equipe introduziu uma nova classe de proteínas repórter que podem ser lidas diretamente por um dispositivo de detecção nanopore disponível comercialmente. O novo sistema – apelidado de “Nanopore-addressable protein Tags Engineered as Reporters” ou “NanoporeTERs” – pode detectar vários níveis de expressão de proteínas de culturas de células humanas e bacterianas muito além da capacidade das técnicas existentes.

O estudo foi publicado em 12 de agosto de 2021, em Nature Biotechnology.

Sinais Nanopore Brutos

Pesquisadores da Universidade de Washington e da Microsoft introduziram uma nova classe de proteínas repórter que podem ser lidas diretamente por um dispositivo de detecção nanopore disponível comercialmente. Os sinais de nanopore brutos fluem do dispositivo MinION, que contém uma série de centenas de sensores de nanopore. Cada cor representa dados de um nanoporo individual. A equipe usa aprendizado de máquina para interpretar esses sinais como códigos de barras NanoporeTERs. Crédito: Dennis Wise / Universidade de Washington

“Os nanoporeTERs oferecem um léxico novo e mais rico para que as células projetadas se expressem e lançem uma nova luz sobre os fatores que são projetados para rastrear. Eles podem nos dizer muito mais sobre o que está acontecendo em seu ambiente de uma só vez ”, disse o co-autor Nicolas Cardozo, aluno de doutorado do Instituto de Engenharia e Ciências Moleculares da UW. “Essencialmente, estamos possibilitando que essas células ‘falem’ com os computadores sobre o que está acontecendo ao seu redor em um novo nível de detalhe, escala e eficiência que permitirá uma análise mais profunda do que poderíamos fazer antes.”

Para métodos de rotulagem convencionais, os pesquisadores podem rastrear apenas algumas proteínas repórter óptico, como a proteína fluorescente verde, simultaneamente por causa de suas propriedades espectrais sobrepostas. Por exemplo, é difícil distinguir entre mais de três cores diferentes de proteínas fluorescentes ao mesmo tempo. Em contraste, NanoporeTERs foram projetados para transportar “códigos de barras” de proteínas distintas compostas por cadeias de aminoácidos que, quando usados ​​em combinação, permitem pelo menos dez vezes mais possibilidades de multiplexação.

Essas proteínas sintéticas são secretadas fora de uma célula para o ambiente circundante, onde os pesquisadores podem coletá-las e analisá-las usando uma matriz de nanoporos disponível comercialmente. Aqui, a equipe usou o dispositivo Oxford Nanopore Technologies MinION.

Nanopore Tal Research Team

Pesquisadores da Universidade de Washington e da Microsoft introduziram uma nova classe de proteínas repórter que podem ser lidas diretamente por um dispositivo de detecção nanopore disponível comercialmente. Mostrado aqui (da esquerda para a direita): Karen Zhang, Nicolas Cardozo, Kathryn Doroschak e Jeff Nivala. Não fotografado: Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss e Luis Ceze. Nota: esta foto foi tirada antes da pandemia COVID-19. Crédito: Fotografia de Tara Brown

Os pesquisadores desenvolveram as proteínas NanoporeTER com “caudas” carregadas para que possam ser puxadas para os sensores nanopore por um campo elétrico. Em seguida, a equipe usa o aprendizado de máquina para classificar os sinais elétricos para cada código de barras NanoporeTER, a fim de determinar os níveis de saída de cada proteína.

“Esta é uma interface fundamentalmente nova entre células e computadores”, disse o autor sênior Jeff Nivala, professor assistente de pesquisa da UW na Escola Paul G. Allen de Ciência da Computação e Engenharia. “Uma analogia que gosto de fazer é que os repórteres de proteínas fluorescentes são como faróis e os NanoporeTERs são como mensagens em uma garrafa.

“Os faróis são realmente úteis para comunicar um local físico, já que você pode ver literalmente de onde o sinal está vindo, mas é difícil colocar mais informações nesse tipo de sinal. Uma mensagem em uma garrafa, por outro lado, pode embalar muitas informações em um recipiente muito pequeno e você pode enviar muitas delas para outro local para serem lidas. Você pode perder de vista a localização física precisa para onde as mensagens foram enviadas, mas para muitos aplicativos isso não será um problema. ”

Como prova de conceito, a equipe desenvolveu uma biblioteca de mais de 20 tags NanoporeTERs distintas. Mas o potencial é significativamente maior, de acordo com a co-autora Karen Zhang, agora estudante de doutorado no programa de graduação em bioengenharia da UC Berkeley-UCSF.

“Atualmente, estamos trabalhando para aumentar o número de NanoporeTERs para centenas, milhares, talvez até milhões mais”, disse Zhang, que se formou este ano na UW com bacharelado em bioquímica e microbiologia. “Quanto mais temos, mais coisas podemos rastrear.

“Estamos particularmente entusiasmados com o potencial da proteômica de uma única célula, mas isso também pode ser uma virada de jogo em termos de nossa capacidade de fazer biossensores multiplexados para diagnosticar doenças e até mesmo direcionar a terapêutica para áreas específicas dentro do corpo. E depurar projetos de circuitos genéticos complicados se tornaria muito mais fácil e muito menos demorado se pudéssemos medir o desempenho de todos os componentes em paralelo, em vez de por tentativa e erro. ”

Esses pesquisadores já fizeram um novo uso do dispositivo MinION antes, quando desenvolveram um sistema de marcação molecular para substituir os métodos convencionais de controle de estoque. Esse sistema baseou-se em códigos de barras compreendendo fios sintéticos de DNA que pode ser decodificado sob demanda usando o leitor portátil.

Desta vez, a equipe deu um passo adiante.

“Este é o primeiro artigo a mostrar como um dispositivo sensor nanopore comercial pode ser reaproveitado para outras aplicações além do DNA e RNA sequenciamento para o qual foram originalmente projetados ”, disse a co-autora Kathryn Doroschak, bióloga computacional da Adaptive Biotechnologies que concluiu este trabalho como estudante de doutorado na Allen School. “Isso é empolgante como um precursor para que a tecnologia nanoporos se torne mais acessível e onipresente no futuro. Você já pode conectar um dispositivo nanopore em seu telefone celular. Eu poderia imaginar um dia tendo uma escolha de ‘aplicativos moleculares’ que serão relativamente baratos e amplamente disponíveis fora da genômica tradicional. ”

Referência: “Detecção direta multiplexada de repórteres de proteínas com código de barras em uma matriz de nanoporos” por Nicolas Cardozo, Karen Zhang, Kathryn Doroschak, Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss, Luis Ceze e Jeff Nivala, 12 de agosto de 2021, Nature Biotechnology.
DOI: 10.1038 / s41587-021-01002-6

Outros co-autores do artigo são Aerilynn Nguyen na Northeastern University e Zoheb Siddiqui na Amazon, ambos ex-alunos de graduação da UW; Nicholas Bogard, da Patch Biosciences, um ex-associado de pesquisa de pós-doutorado da UW; Luis Ceze, professor da Allen School; e Karin Strauss, professora afiliada da Allen School e gerente sênior de pesquisa da Microsoft. Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, os National Institutes of Health e um acordo de pesquisa patrocinado pela Oxford Nanopore Technologies.

KPUEv3iZCk

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *