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.

Summary

 Synthetic gene networks have wide-ranging uses in reprogramming and rewiring organisms. To date, there has not been a way to harness the vast potential of these networks beyond the constraints of a laboratory or in vivo environment. Here, we present an in vitro paper-based platform that provides an alternate, versatile venue for synthetic biologists to operate and a much-needed medium for the safe deployment of engineered gene circuits beyond the lab. Commercially available cell-free systems are freeze dried onto paper, enabling the inexpensive, sterile, and abiotic distribution of synthetic-biology-based technologies for the clinic, global health, industry, research, and education. For field use, we create circuits with colorimetric outputs for detection by eye and fabricate a low-cost, electronic optical interface. We demonstrate this technology with small-molecule and RNA actuation of genetic switches, rapid prototyping of complex gene circuits, and programmable in vitro diagnostics, including glucose sensors and strain-specific Ebola virus sensors.

Pluripotent stem cells (PSCs) are capable of dynamic interconversion between distinct substates; however, the regulatory circuits specifying these states and enabling transitions between them are not well understood. Here we set out to characterize transcriptional heterogeneity in mouse PSCs by single-cell expression profiling under different chemical and genetic perturbations. Signalling factors and developmental regulators show highly variable expression, with expression states for some variable genes heritable through multiple cell divisions. Expression variability and population heterogeneity can be influenced by perturbation of signalling pathways and chromatin regulators. Notably, either removal of mature microRNAs or pharmacological blockage of signalling pathways drives PSCs into a low-noise ground state characterized by a reconfigured pluripotency network, enhanced self-renewal and a distinct chromatin state, an effect mediated by opposing microRNA families acting on the Myc/Lin28/let-7 axis. These data provide insight into the nature of transcriptional heterogeneity in PSCs. This study uses single-cell expression profiling of pluripotent stem cells after various perturbations, and uncovers a high degree of variability that can be inherited through cell divisions—modulating microRNA or external signalling pathways induces a ground state with reduced gene expression heterogeneity and a distinct chromatin profile. Although it is recognized that pluripotent stem cells switch dynamically between distinct substates, the gene regulatory networks specifying the states and governing transitions between them are not well defined. Using single-cell expression profiling of mouse pluripotent stem cells subjected to chemical and genetic perturbations, George Daley and colleagues establish how transcriptional networks are dynamically reconfigured to drive distinct states of pluripotency. They observe a high degree of variability that can be inherited through cell divisions and find that modulating microRNA or external signalling pathways lowers the heterogeneity in gene expression and induces a distinct epigenetic state.

Abstract Cell-free gene expression systems have emerged as a promising platform for field-deployed biosensing and diagnostics. When combined with programmable toehold switch-based RNA sensors, these systems can be used to detect arbitrary RNAs and freeze-dried for room temperature transport to the point-of-need. These sensors, however, have been implemented using reconstituted PURE cell-free protein expression systems that are difficult to source in the Global South due to their high commercial cost and cold-chain shipping requirements. Here, we describe the implementation of RNA toehold switch-based sensors using E. coli cell lysate-based cell-free protein expression systems, which can be produced locally and reduce the cost of sensors by two orders of magnitude. We then demonstrate that these in-house cell lysates provide sensor performance comparable to commercial PURE cell-free systems. We further optimize use of these lysates with a CRISPRi strategy to enhance the stability of linear DNAs, enabling the direct use of PCR products for fast screening of new designs. As a proof-of-concept, we develop novel toehold sensors for the plant pathogen Potato Virus Y (PVY), which dramatically reduces the yield of this important staple crop. The local implementation of low-cost cell-free toehold sensors could enable biosensing capacity at the regional level and lead to more decentralized models for global surveillance of infectious disease.