ABSTRACT Cell-free biosensors are emerging as powerful platforms for monitoring human and environmental health. Here, we expand the capabilities of biosensors by interfacing their outputs with toehold-mediated strand displacement circuits, a dynamic DNA nanotechnology that enables molecular computation through programmable interactions between nucleic acid strands. We develop design rules for interfacing biosensors with strand displacement circuits, show that these circuits allow fine-tuning of reaction kinetics and faster response times, and demonstrate a circuit that acts like an analog-to-digital converter to create a series of binary outputs that encode the concentration range of the target molecule being detected. We believe this work establishes a pathway to create “smart” diagnostics that use molecular computations to enhance the speed, robustness and utility of biosensors.

As the field of synthetic biology expands, the need to grow and train science, technology, engineering, and math (STEM) practitioners is essential. However, the lack of access to hands-on demonstrations has led to inequalities of opportunity and practice. In addition, there is a gap in providing content that enables students to make their own bioengineered systems. To address these challenges, we develop four shelf-stable cell-free biosensing educational modules that work by just-adding-water and DNA to freeze-dried crude extracts of Escherichia coli . We introduce activities and supporting curricula to teach the structure and function of the lac operon, dose-responsive behavior, considerations for biosensor outputs, and a 'build-your-own' activity for monitoring environmental contaminants in water. We piloted these modules with K-12 teachers and 130 high school students in their classrooms - and at home - without professional laboratory equipment or researcher oversight. This work promises to catalyze access to interactive synthetic biology education opportunities.

Cell-free systems are powerful synthetic biology technologies because of their ability to recapitulate sensing and gene expression without the complications of living cells. Cell-free systems can perform even more advanced functions when genetic circuits are incorporated as information processing components. Here we expand cell-free biosensing by engineering a highly specific isothermal signal amplification circuit called polymerase strand recycling (PSR) that leverages T7 RNA polymerase off-target transcription to recycle nucleic acid inputs within DNA strand displacement circuits. We develop design rules for PSR circuit components and use these rules to construct modular biosensors that can directly sense different RNA targets with limits of detection in the nM range and high specificity. We then use PSR for signal amplification within allosteric transcription factor-based biosensors for small molecule detection. We use a double equilibrium model of transcription factor:DNA and transcription factor:ligand binding interactions to predict biosensor sensitivity enhancement by PSR, and then demonstrate this approach experimentally by achieving 3.6-4.6-fold decreases in biosensor EC50 to sub micromolar ranges. We believe this work expands the current capabilities of cell-free circuits by incorporating PSR, which we anticipate will have a wide range of uses within biotechnology.

ABSTRACT Recent years have seen intense interest in the development of point-of-care nucleic acid diagnostic technologies to address the scaling limitations of laboratory-based approaches. Chief among these are combinations of isothermal amplification approaches with CRISPR-based detection and readouts of target products. Here, we contribute to the growing body of rapid, programmable point-of-care pathogen tests by developing and optimizing a one-pot NASBA-Cas13a nucleic acid detection assay. This test uses the isothermal amplification technique NASBA to amplify target viral nucleic acids, followed by Cas13a-based detection of amplified sequences. We first demonstrate an in-house formulation of NASBA that enables optimization of individual NASBA components. We then present design rules for NASBA primer sets and LbuCas13a guide RNAs for fast and sensitive detection of SARS-CoV-2 viral RNA fragments, resulting in 20 – 200 aM sensitivity without any specialized equipment. Finally, we explore the combination of high-throughput assay condition screening with mechanistic ordinary differential equation modeling of the reaction scheme to gain a deeper understanding of the NASBA-Cas13a system. This work presents a framework for developing a mechanistic understanding of reaction performance and optimization that uses both experiments and modeling, which we anticipate will be useful in developing future nucleic acid detection technologies.

Synthetic biology has enabled the development of powerful nucleic acid diagnostic technologies for detecting pathogens and human health biomarkers. Here we expand the reach of synthetic biology-enabled diagnostics by developing a cell-free biosensing platform that uses RNA output sensors activated by ligand induction (ROSALIND) to detect harmful contaminants in aqueous samples. ROSALIND consists of three programmable components: highly-processive RNA polymerases, allosteric transcription factors, and synthetic DNA transcription templates. Together, these components allosterically regulate the in vitro transcription of a fluorescence-activating RNA aptamer: in the absence of a target compound, transcription is blocked, while in its presence a fluorescent signal is produced. We demonstrate that ROSALIND can be configured to detect a range of water contaminants, including antibiotics, toxic small molecules, and metals. Our cell-free biosensing platform, which can be freeze-dried for field deployment, creates a new capability for point-of-use monitoring of molecular species to address growing global crises in water quality and human health.

ABSTRACT Water contamination is a growing global concern, creating a need to develop technologies that can detect a range of target compounds at the required thresholds. Here, we address this need by merging biological allosteric transcription factors with DNA coated nanomechanical microcantilevers to detect chemicals in water with digital readout. After proof-of-concept demonstration and optimization to detect tetracycline with the TetR transcription factor, we use the CadC transcription factor to detect Pb 2+ and Cd 2+ in water at concentrations down to 2 ppb and 1 ppb, respectively, in less than fifteen minutes. A computational model suggests this improvement in sensitivity could be achieved by the DNA coated microcantilever surface changing transcription factor binding properties. Our findings demonstrate a promising new approach for water quality monitoring with fast, highly sensitive, digital readouts.