Abstract The rational design and implementation of synthetic, orthogonal mammalian communication systems has the potential to unravel fundamental design principles of mammalian cell communication circuits and offer a framework for engineering of designer cell consortia with potential applications in cell therapeutics and artificial tissue engineering. We lay here the foundations for the engineering of an orthogonal, and scalable mammalian synthetic intercellular communication platform that exploits the programmability of synthetic receptors and selective affinity and tunability of diffusing coiled-coil (CC) peptide heterodimers. Leveraging the ability of CCs to exclusively bind to a selected cognate receptor, we demonstrate orthogonal receptor activation, as well as Boolean logic computations. Next, we reveal synthetic intercellular communication based on synthetic receptors and secreted multidomain CC ligands and demonstrate a minimal, three-cell population system that can perform distributed AND gate logic. Our work provides a modular and scalable framework for the engineering of complex cell consortia, with the potential to expand the aptitude of cell therapeutics and diagnostics.

Abstract Heterogeneous immunoassays such as ELISA have become indispensable in modern bioanalysis, yet translation into easy-to-use point-of-care assays is hindered by their dependence on external calibration and multiple washing and incubation steps. Here, we introduce RAPPID ( Ra tiometric P lug-and- P lay Immuno d iagnostics), a “mix-and-measure” homogeneous immunoassay platform that combines highly specific antibody-based detection with a ratiometric bioluminescent readout that can be detected using a basic digital camera. The concept entails analyte-induced complementation of split NanoLuc luciferase fragments, photoconjugated to an antibody sandwich pair via protein G adapters. We also introduce the use of a calibrator luciferase that provides a robust ratiometric signal, allowing direct in-sample calibration and quantitative measurements in complex media such as blood plasma. We developed RAPPID sensors that allow low-picomolar detection of several protein biomarkers, anti-drug antibodies, therapeutic antibodies, and both SARS-CoV-2 spike protein and anti-SARS-CoV-2 antibodies. RAPPID combines ratiometric bioluminescent detection with antibody-based target recognition into an easy-to-implement standardized workflow, and therefore represents an attractive, fast, and low-cost alternative to traditional immunoassays, both in an academic setting and in clinical laboratories for point-of-care applications.

Abstract Owing to its longevity and extremely high information density, DNA has emerged as an attractive medium for archival data storage. Scalable parallel random access of information is a desirable property of any storage system. For DNA-based storage systems, however, this yet has to be robustly established. Here we develop thermoconfined PCR, a novel method that enables multiplexed, repeated random access of compartmentalized DNA files. Our strategy is based on stable localization of biotin-functionalized oligonucleotides inside microcapsules with temperature-dependent membrane permeability. At low temperatures, microcapsules are permeable to enzymes, primers, and amplified products, while at high temperatures membrane collapse prevents molecular crosstalk during amplification. We demonstrate that our platform outperforms non-compartmentalized DNA storage with respect to repeated random access and reducing amplification bias during multiplex PCR. Using fluorescent sorting, we additionally demonstrate sample pooling and data retrieval by barcoding of microcapsules. Our thermoresponsive microcapsule technology offers a scalable, sequence-agnostic approach for repeated random access of archival DNA files.