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Un biosensore è qualsiasi dispositivo analitico che utilizza componenti biologici (come proteine, acidi nucleici o interi organismi) che producono una risposta che può essere utilizzata per il rilevamento di una sostanza chimica o di un analita. Ad esempio, l'industria mineraria del carbone ha utilizzato un biosensore per gran parte del 20° secolo per rilevare la presenza di gas minerari tossici: il canarino nella miniera di carbone1. La risposta dell'organismo biologico (canarino) (morte o angoscia) ad un analita chimico (monossido di carbonio) è stata osservata dai minatori al fine di proteggere i lavoratori. In un esempio più moderno e sofisticato, i batteri possono essere alterati utilizzando tecniche di biologia sintetica per rispondere alla presenza di un determinato analita chimico esibendo una risposta specifica, come l'espressione di una proteina fluorescente.
La biologia sintetica è un termine generico che si riferisce alla costruzione di dispositivi biologici e sistemi che non esistono naturalmente, o la riprogettazione di sistemi biologici esistenti per uno scopo specifico2. La biologia sintetica si distingue dall'ingegneria genetica da una metodologia standard e dall'esistenza di parti standardizzate (elementi genetici di biologia sintetica standard) che possono essere utilizzati per sintetizzare dispositivi e sistemi. Una parte viene introdotta nel genoma di un dispositivo, un organismo come un batterio, per esprimere un certo tratto che servirà come indicazione di funzione. Ad esempio, in molti dispositivi sintetici, l'espressione di una proteina fluorescente viene introdotta in un singolo organismo cellato come proteina reporter. È possibile combinare più dispositivi in un sistema. I Geniti di microrganismi come i batteri sono facili da manipolare in questo modo. Numerosi esempi di biosensori specifici per una vasta gamma di analiti chimici sono stati riportati in letteratura negli ultimi dieci anni,3,4.
In questo lavoro, il sistema MicRoboCop è presentato come un esempio di un biosensore progettato utilizzando tecniche di biologia sintetica con nuove applicazioni in chimica forense e ambientale. MicRoboCop è un sistema di tre dispositivi separati che, quando combinati, permetteranno a Escherichia coli di esprimere la proteina fluorescente rossa (RFP) in presenza di residui di arma da fuoco (GSR) che sono stati raccolti dalle mani di una persona o da una superficie. Ciascuno dei tre dispositivi risponde a uno specifico analita chimico che è noto per essere un componente di GSR5. I tre analiti a cui il sistema risponde sono I. 2, 4, 6-trinitrotoluene (TNT) e i relativi composti, II. piombo (sotto forma di ioni di piombo), e III. antimonio (anche sotto forma di ioni).
GSR è costituito da molte sostanze chimiche diverse, ma i tre di solito utilizzati per identificare un residuo come GSR sono bario, piombo, e antimonio5. Il test probatorio standard per l'identificazione di GSR consiste nell'utilizzare la microscopia elettronica a scansione (SEM) con fluorescenza a raggi X a dispersione di energia (EDX)5. SEM-EDX consente agli analisti di identificare la morfologia unica e i componenti elementali di GSR. Attualmente, ci sono pochi ampiamente utilizzati test presuntivi binari disponibili. Un test presuntivo recentemente pubblicato utilizza la spettroscopia di mobilità ionica (IMS), che è un'apparecchiatura specializzata che potrebbe non essere disponibile in molti laboratori6. Ci sono anche alcuni test di colore "spot" che possono essere utilizzati, anche se sono tipicamente utilizzati per la determinazione della distanza o per l'identificazione GSR su fori di proiettile e ferite5. Inoltre, c'è stata una certa attenzione limitata nella letteratura per i test elettrochimici per GSR che impiegano l'analisi voltammetrica, che ha il vantaggio di essere potenzialmente in campo portatile, o anodico stripping voltammetria, che è un estremamente Metodo sensibile per gli elementi metallici7. Nella letteratura dei biosensori progettati specificamente allo scopo di rilevare la GSR è molto poca menzione, anche se alcuni biosensori per altre applicazioni forensi sono stati pubblicati8.
Gli elementi biologici per ogni dispositivo nel sistema MicRoboCop, e la costruzione del plasmide, sono illustrati in Figura 1. La freccia curva in Figura 1B rappresenta la regione promotrice che viene attivata in presenza dell'analita, l'ovale è il sito di legame ribosomiale che permette la traduzione della proteina reporter, la scatola grigia etichettata RFP è il gene che esprime il rosso proteina fluorescente, e l'ottagione rosso è il sito di terminazione della trascrizione. Tutti e tre i dispositivi saranno utilizzati insieme come un sistema per rilevare GSR. Ogni dispositivo con un promotore specifico (SbRFP, PbRFP e TNT-RFP) sarà incubato con il campione che viene testato e la fluorescenza di RFP sarà misurata. La RFP sarà espressa solo se l'analita chimico appropriato è presente e attiva la regione promotrice. Tre dispositivi che rispondono ad alcune delle sostanze chimiche presenti in GSR sono stati progettati e sono presentati in questo lavoro.
I promotori utilizzati nei tre dispositivi microbocop sono un promotore sensibile all'arsenico e all'antimonio , sbrfp9,10, un promotore sensibile al piombo, pbrfp11,12 e un promotore sensibile al TNT, TNT-RFP 13. poiché una ricerca in letteratura non ha rivelato alcun promotore progettato per rispondere al bario, il promotore di TNT è stato selezionato invece poiché questo promotore è sensibile a una serie di composti strutturalmente correlati (in particolare, 2, 4-dinitrotoluene e dinitrobenzene) che sono noti per essere una parte dei composti organici lasciati alle spalle in GSR. Questo promotore è stato utilizzato con successo per rilevare in modo specifico quantità minute di TNT e di 2, 4-dinitrotoluene (2, 4-DNT) nelle miniere di terra sepolte13. Utilizzando i tre dispositivi insieme come un sistema, un test positivo per GSR produrrà fluorescenza in tutti e tre i dispositivi. Un segnale di fluorescenza in uno o due dispositivi indicherà un'altra fonte ambientale dell'analita (s) o nel caso del promotore di TNT, l'attivazione da parte di un composto che non è un composto organico lasciato alle spalle in GSR. Utilizzando tutti e tre i dispositivi insieme, la possibilità di un risultato falso positivo a causa di fonti ambientali è minimizzata. Le munizioni prive di piombo, che stanno guadagnando popolarità, rappresentano ancora solo il 5% delle vendite di munizioni negli Stati Uniti; quindi, risultati falsi negativi a causa dell'assenza di piombo può essere una possibilità, ma c'è ancora utilità in un sensore che utilizza il piombo come un marcatore per GSR14. Oltre a questa specifica applicazione forense, ogni dispositivo può essere utilizzato separatamente per individuare i contaminanti ambientali.
I protocolli presentati includono le tecniche di biologia sintetica utilizzate per creare i dispositivi (batteri del sensore) e le tecniche analitiche per controllare la funzione dei dispositivi e analizzare i segnali di fluorescenza ottenuti. Il protocollo include anche la raccolta di prove forensi sotto forma di pulizia a mano per raccogliere GSR dalle mani di un sospetto o di un tampone per raccogliere GSR da una superficie. I risultati del dispositivo con sensore di piombo sono presentati come risultati di esempio, insieme a una dimostrazione di un test positivo per GSR utilizzando un involucro cartuccia esaurito.