The recent Zika virus outbreak highlights the need for low-cost diagnostics that can be rapidly developed for distribution and use in pandemic regions. Here, we report a pipeline for the rapid design, assembly, and validation of cell-free, paper-based sensors for the detection of the Zika virus RNA genome. By linking isothermal RNA amplification to toehold switch RNA sensors, we detect clinically relevant concentrations of Zika virus sequences and demonstrate specificity against closely related Dengue virus sequences. When coupled with a novel CRISPR/Cas9-based module, our sensors can discriminate between viral strains with single-base resolution. We successfully demonstrate a simple, field-ready sample-processing workflow and detect Zika virus from the plasma of a viremic macaque. Our freeze-dried biomolecular platform resolves important practical limitations to the deployment of molecular diagnostics in the field and demonstrates how synthetic biology can be used to develop diagnostic tools for confronting global health crises. PAPERCLIP.

Taking CRISPR technology further CRISPR techniques are allowing the development of technologies for nucleic acid detection (see the Perspective by Chertow). Taking advantages of the distinctive enzymatic properties of CRISPR enzymes, Gootenberg et al. developed an improved nucleic acid detection technology for multiplexed quantitative and highly sensitive detection, combined with lateral flow for visual readout. Myhrvold et al. added a sample preparation protocol to create a field-deployable viral diagnostic platform for rapid detection of specific strains of pathogens in clinical samples. Cas12a (also known as Cpf1), a type V CRISPR protein, cleaves double-stranded DNA and has been adapted for genome editing. Chen et al. discovered that Cas12a also processes single-stranded DNA threading activity. A technology platform based on this activity detected human papillomavirus in patient samples with high sensitivity. Science , this issue p. 439 , p. 444 , p. 436 ; see also p. 381

One hundred and ten Zika virus genomes from ten countries and territories involved in the Zika virus epidemic reveal rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other regions. Three papers in this issue present a wealth of new Zika virus (ZIKV) genome sequences and further insights into the genetic epidemiology of ZIKV. Nathan Grubaugh et al. provide 39 new ZIKV genome sequences from infected patients and Aedes aegypti mosquitoes in Florida. Phylogenetic analysis suggests that the virus has been introduced on multiple separate occasions, probably linked to travel from the Caribbean. They find a low probability of long-term persistence of ZIKV transmission chains within Florida, suggesting that the potential for future ZIKV outbreaks there will depend on transmission dynamics in the Americas. Nuno Faria et al. and Hayden Metsky et al. reconstruct the spread of ZIKV in Brazil and the Americas. Faria et al. provide 54 new ZIKV genomes, several sequenced in real time in a mobile genomics laboratory. They trace the spatial origins and spread of ZIKV in Brazil and the Americas and date the timing of the international spread of ZIKV from Brazil. They find that northeast Brazil had a crucial role in the establishment of the epidemic and the spread of the virus within Brazil and the Americas. Metsky et al. generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from ten regions. They also see rapid expansion of the epidemic within Brazil and multiple introductions to other geographic areas. In agreement with Faria et al., they find that ZIKV circulated unobserved for many months before transmission was detected. Metsky et al. additionally describe ZIKV evolution and discuss how the accumulation of mutations might affect the performance of diagnostic tests in the future. Although the recent Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas and its link to birth defects have attracted a great deal of attention1,2, much remains unknown about ZIKV disease epidemiology and ZIKV evolution, in part owing to a lack of genomic data. Here we address this gap in knowledge by using multiple sequencing approaches to generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from 10 countries and territories, greatly expanding the observed viral genetic diversity from this outbreak. We analysed the timing and patterns of introductions into distinct geographic regions; our phylogenetic evidence suggests rapid expansion of the outbreak in Brazil and multiple introductions of outbreak strains into Puerto Rico, Honduras, Colombia, other Caribbean islands, and the continental United States. We find that ZIKV circulated undetected in multiple regions for many months before the first locally transmitted cases were confirmed, highlighting the importance of surveillance of viral infections. We identify mutations with possible functional implications for ZIKV biology and pathogenesis, as well as those that might be relevant to the effectiveness of diagnostic tests.

An expansion of the cerebral neocortex is thought to be the foundation for the unique intellectual abilities of humans. It has been suggested that an increase in the proliferative potential of neural progenitors (NPs) underlies the expansion of the cortex and its convoluted appearance. Here we show that increasing NP proliferation induces expansion and folding in an in vitro model of human corticogenesis. Deletion of PTEN stimulates proliferation and generates significantly larger and substantially folded cerebral organoids. This genetic modification allows sustained cell cycle re-entry, expansion of the progenitor population, and delayed neuronal differentiation, all key features of the developing human cortex. In contrast, Pten deletion in mouse organoids does not lead to folding. Finally, we utilized the expanded cerebral organoids to show that infection with Zika virus impairs cortical growth and folding. Our study provides new insights into the mechanisms regulating the structure and organization of the human cortex.

Rapid point-of-care (POC) diagnostic devices are needed for field-forward screening of severe acute systemic febrile illnesses. Multiplexed rapid lateral flow diagnostics have the potential to distinguish among multiple pathogens, thereby facilitating diagnosis and improving patient care. Here, we present a platform for multiplexed pathogen detection using multi-colored silver nanoplates. This design requires no external excitation source and permits multiplexed analysis in a single channel, facilitating integration and manufacturing.

Maternal Zika virus (ZIKV) infection during pregnancy is increasingly recognized as the cause of an epidemic of microcephaly and other neurological anomalies in human fetuses. However, it remains unclear how ZIKV gains access to the highly vulnerable population of neural progenitors of the fetal central nervous system (CNS), and which cell types of the CNS may serve as viral reservoirs. To model viral interaction with cells of the fetal CNS in vitro, we investigated the tropism of ZIKV for different iPS-derived human cells, with a particular focus on microglia-like cells derived from human pluripotent stem cells. We show that ZIKV infected isogenic neural progenitors, astrocytes and microglia-like cells, but was only cytotoxic to neural progenitors. Infected glial cells propagated the virus and maintained viral load over time, leading to viral spread to susceptible cells. ZIKV-infected microglia, when co-cultured with pre-established neural spheroids, invaded the tissue and initiated neural infection. Since microglia derive from primitive macrophages originating in anatomical proximity to the maternal vasculature of the placenta, we propose that they may act in vivo as a viral reservoir for ZIKV and, owing to their natural ability to traverse the embryo, can establish infection of the fetal brain. Infection of immature neural stem cells by invading microglia may occur in the early stages of pregnancy, before vascular circulation is established. Our data are also consistent with the virus affecting the integrity of the blood-brain barrier (BBB), which may allow infection of the brain at later stages.

Despite great attention given to the recent Zika virus (ZIKV) epidemic in the Americas, much remains unknown about its epidemiology and evolution, in part due to a lack of genomic data. We applied multiple sequencing approaches to generate 110 ZIKV genomes from clinical and mosquito samples from 10 countries and territories, greatly expanding the observed viral genetic diversity from this outbreak. We analyzed the timing and patterns of introductions into distinct geographic regions; our phylogenetic evidence suggests rapid expansion of the outbreak in Brazil and multiple introductions of outbreak strains into Puerto Rico, Honduras, Colombia, other Caribbean islands, and the continental US. We find that ZIKV circulated undetected in multiple regions for many months before the first locally transmitted cases were confirmed, highlighting the importance of viral surveillance. We identify mutations with possible functional implications for ZIKV biology and pathogenesis, as well as those potentially relevant to the effectiveness of diagnostic tests.

Background Gestational Zika virus (ZIKV) infection is associated with the development of congenital Zika syndrome (CZS), which includes microcephaly and fetal demise. The magnitude and quality of orthoflavivirus-specific humoral immunity have been previously linked to the development of CZS. However, the role of ZIKV NS1-specific humoral immunity in mothers and children with prenatal ZIKV exposure and CZS remains undefined. In addition, considering that most of the at-risk population lives in dengue virus (DENV)-endemic areas, it is not clear what is the association between pre-existing DENV NS1-specific humoral immunity and CZS. Methods Here, we studied 328 mothers and children with a clinical diagnosis and seropositivity for ZIKV infection during pregnancy, included during the 2015–2016 ZIKV epidemic in Colombia. We also performed clinical evaluation and pediatric neurological follow-up. The relative levels of circulating NS1-specific IgM and IgG against ZIKV and DENV were evaluated in mothers and children, and the association with the development of microcephaly was analyzed. Results DENV and ZIKV IgG-NS1 antibodies in pregnant women were placentally transferred, and this passage and its duration in children depended on the maternal levels of the antibodies. We reported that higher concentrations of pre-existing DENV, but not ZIKV IgG-NS1 antibodies, were associated with a reduced risk of CZS-related microcephaly. Also, we observed that the IgM-NS1 response in infants is long-term and has a minor association with poor outcomes. Conclusions The development of microcephaly in children prenatally exposed to ZIKV is associated with low plasma levels of placentally transferred, pre-existing DENV IgG-NS1 antibodies. These data are compatible with a protective role of anti-NS1 IgG antibodies against ZIKV infection during pregnancy and highlight the promising role of NS1 as an orthoflavivirus vaccine target in high-risk populations.

Metagenomic sequencing has the potential to transform microbial detection and characterization, but new tools are needed to improve its sensitivity. We developed CATCH (Compact Aggregation of Targets for Comprehensive Hybridization), a computational method to enhance nucleic acid capture for enrichment of diverse microbial taxa, and implemented it in a publicly available software package. CATCH designs compact probe sets that achieve full coverage of known microbial sequence diversity and that scale well with this diversity. Using CATCH, we designed and synthesized multiple probe sets, including one to capture whole genomes of the 356 viral species known to infect humans, and conducted a rigorous evaluation of their performance. Capture with these probe sets enriched unique viral content on average 18-fold in sequencing libraries from patient and environmental samples and allowed us to assemble viral genomes that we could not otherwise recover. We show that capture accurately reflects co-infections and within-host nucleotide variation, enriches sequence with substantial divergence from the probe sets, and improves detection of viral infections in samples with unknown microbial content. Our work provides a new approach to probe design and evaluation, and demonstrates a path toward more sensitive, cost-effective metagenomic sequencing.