Integrating synthetic biology into wearables could expand opportunities for noninvasive monitoring of physiological status, disease states and exposure to pathogens or toxins. However, the operation of synthetic circuits generally requires the presence of living, engineered bacteria, which has limited their application in wearables. Here we report lightweight, flexible substrates and textiles functionalized with freeze-dried, cell-free synthetic circuits, including CRISPR-based tools, that detect metabolites, chemicals and pathogen nucleic acid signatures. The wearable devices are activated upon rehydration from aqueous exposure events and report the presence of specific molecular targets by colorimetric changes or via an optical fiber network that detects fluorescent and luminescent outputs. The detection limits for nucleic acids rival current laboratory methods such as quantitative PCR. We demonstrate the development of a face mask with a lyophilized CRISPR sensor for wearable, noninvasive detection of SARS-CoV-2 at room temperature within 90 min, requiring no user intervention other than the press of a button.

Abstract Cell-free protein synthesis (CFPS) is a rapidly maturing in vitro gene expression platform that can be used to transcribe and translate nucleic acids at the point of need, enabling on-demand synthesis of peptide-based vaccines and biotherapeutics, as well as the development of diagnostic tests for environmental contaminants and infectious agents. Unlike traditional cell-based systems, CFPS platforms do not require the maintenance of living cells and can be deployed with minimal equipment; therefore, they hold promise for applications in low-resource contexts, including spaceflight. Here we evaluate the performance of cell-free BioBits® platform aboard the International Space Station by expressing RNA-based aptamers and fluorescent proteins that can serve as biological indicators. We validate two classes of biological sensors that detect either the small molecule DFHBI or a specific RNA sequence. Upon detection of their respective analytes, both biological sensors produce fluorescent readouts that are visually confirmed using a handheld fluorescence viewer and imaged for quantitative analysis. Our findings provide insight into the kinetics of cell-free transcription and translation in a microgravity environment and reveal that both biosensors perform robustly in space. Our findings lay the groundwork for portable, low-cost applications ranging from point-of-care health monitoring to on-demand detection of environmental hazards in low-resource communities both on Earth and beyond. Visual graphic