Metodi innovativi per una produzione facile di biosensori

I pericoli chimici ambientali sono problemi seri in tutto il mondo, che colpiscono la salute umana e la natura. Questi pericoli possono danneggiare la qualità dell'aria, dell'acqua, del suolo e del cibo. Quando le persone sono esposte a questi rischi, possono avere vari problemi di salute, tra cui asma, malattie mentali, difetti alla nascita, cancro, malattie croniche, malattie cardiache o anche morte.

#Metodi di Rilevamento Attuali

Attualmente, esistono molte tecnologie per controllare queste minacce ambientali. Tuttavia, la maggior parte di questi metodi richiede laboratori speciali, strumenti elettronici e lavoratori qualificati. Diverse agenzie governative monitorano i contaminanti, spesso utilizzando tecniche complesse come la cromatografia gassosa, la cromatografia liquida e la spettrometria di massa.

Alcune tecnologie portatili sono disponibili, ma richiedono comunque utenti esperti e analisi di dati complicate. Questi metodi dipendono tipicamente da attrezzature avanzate che potrebbero non essere facilmente disponibili in aree meno ricche. Di conseguenza, le persone che hanno bisogno di sistemi di rilevamento facili da usare non possono accedervi. Inoltre, i metodi tradizionali possono richiedere molto tempo e non sono facili da produrre e condividere ampiamente.

#La Promessa dei Sistemi di Espressione Genica Senza Cellule

Una soluzione innovativa a questo problema è l'uso di sistemi di espressione genica senza cellule. Questi sistemi possono creare dispositivi diagnostici che sono economici, pronti all'uso e semplici da trasportare. Possono essere liofilizzati, permettendo alle persone di portarli e usarli ovunque quando necessario.

Questi sensori utilizzano la macchina naturale delle cellule per rilevare piccole molecole e ioni. Sono spesso stabili, usa e getta, e rispettosi dell'ambiente. Ci sono stati esempi di successo in cui questi Biosensori senza cellule sono stati utilizzati sul campo, come il rilevamento di rame nell'acqua in California e la misurazione dei livelli di Fluoro in Kenya e Costa Rica.

#La Necessità di Coerenza nella Produzione di Biosensori

Nonostante il successo di questi biosensori, ci sono delle sfide nella loro produzione. Negli studi precedenti, la produzione è stata fatta manualmente, portando a una qualità variabile. C'è bisogno di creare biosensori che siano facili da usare, coerenti e che possano essere prodotti su larga scala. Questo è particolarmente importante quando sono necessari risultati rapidi.

Utilizzare sistemi automatizzati, in particolare dispositivi robotici, può aiutare a produrre più biosensori con qualità affidabile. A questo scopo, ci siamo concentrati sull'adattamento di un dispositivo robotico ampiamente utilizzato chiamato Opentrons OT-2, che aiuta a semplificare vari processi biologici mantenendo un prezzo accessibile e facile da usare.

#Adattare la Tecnologia Robotica per la Produzione di Biosensori

Il primo passo nel nostro approccio è stato confrontare la produzione assistita da robot con i metodi manuali. Abbiamo iniziato sviluppando procedure automatizzate per costruire varie reazioni di biosensori. Questo ci ha aiutato a capire meglio come il robot si comportasse rispetto agli sperimentatori umani.

Per valutare questi metodi di produzione, abbiamo creato due tipi di assemblaggio: (i) assemblaggio manuale delle reazioni e (ii) Assemblaggio Automatizzato utilizzando l'Opentrons OT-2. Ogni metodo ha i suoi vantaggi. L'approccio manuale consente più flessibilità, ma il processo automatizzato può produrre reazioni rapidamente e in massa quando le condizioni sono coerenti.

Attraverso i nostri esperimenti, abbiamo scoperto che utilizzare un approccio di mix master, in cui mescoliamo tutti i componenti della reazione insieme prima della distribuzione, ha portato a risultati più coerenti rispetto all'uso di mix individuali per ogni reazione. Utilizzare questo metodo di mix master ci ha permesso di ottenere un output più affidabile per i biosensori.

#Valutare le Prestazioni del Robot su Scala

Abbiamo valutato le prestazioni del sistema robotico costruendo oltre mille reazioni utilizzando sia metodi manuali sia automatizzati. Questo ha coinvolto più sperimentatori per vedere se il robot poteva creare risultati coerenti, anche con varianti introdotte da persone diverse.

Nei nostri test, abbiamo esaminato due diversi tipi di biosensori che producono o un cambiamento di colore o un segnale fluorescente. Abbiamo trovato differenze significative nella velocità con cui ogni reazione raggiungeva il suo segnale massimo, a seconda che fosse stata fatta manualmente o dal robot. Alcuni biosensori sono riusciti a produrre risultati affidabili, mentre altri hanno mostrato variabilità, specialmente con enzimi che producono colore.

#Ottimizzare il Processo Robotico

Data l'incoerenza trovata nelle reazioni create dal robot, abbiamo lavorato per migliorare la qualità di questi processi automatizzati. Abbiamo esplorato diversi fattori che potrebbero influenzare le prestazioni del sistema robotico, come la velocità di erogazione dei liquidi, i metodi di miscelazione e la gestione delle punte.

Regolando questi parametri, abbiamo trovato soluzioni a problemi comuni, come il liquido che rimane bloccato nelle punte della pipetta, il che ha causato errori nei passaggi successivi. Abbiamo messo insieme un protocollo raffinato per aiutare a creare biosensori in modo più efficace, riducendo il carico di lavoro sui lavoratori umani.

#Applicazione nella Rilevazione del Fluoro

Come applicazione pratica, abbiamo usato questo metodo migliorato per creare biosensori capaci di rilevare il fluoro. Abbiamo costruito un gran numero di queste reazioni di biosensori in circa 30 minuti, velocizzando notevolmente il processo pur garantendo coerenza.

Dopo aver assemblato le reazioni, le abbiamo testate per vedere quanto bene funzionavano nel rilevare diverse concentrazioni di fluoro. In generale, i risultati hanno mostrato che i sensori funzionavano come previsto, confermando il valore del nostro approccio di produzione automatizzata.

#Conclusione: Il Futuro della Produzione di Biosensori

In sintesi, c'è un bisogno urgente di modi semplici ed efficienti per creare biosensori che possano fornire risultati rapidi in vari contesti, specialmente in aree con meno risorse. Il nostro studio evidenzia un approccio che integra robotica user-friendly per automatizzare la produzione di biosensori senza cellule.

Con i metodi che abbiamo sviluppato, diventa fattibile produrre centinaia o addirittura migliaia di questi sensori rapidamente e in modo affidabile. Questo è particolarmente utile in situazioni in cui il test rapido è cruciale. Il robot Opentrons si distingue come un'opzione pratica per generare questi biosensori, rendendoli accessibili per applicazioni sul campo.

Man mano che la tecnologia continua a progredire, la capacità di produrre sistemi senza cellule in ambienti diversi diventerà sempre più importante. I nostri protocolli dettagliati e le istruzioni operative mirano a facilitare questo obiettivo, permettendo a più persone di beneficiare di strumenti diagnostici rapidi ed efficaci.