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.

A CRISPR set of materials CRISPR technology is best known as a gene editing tool. English et al. developed a group of stimuli-responsive hydrogels to respond to the programmable nuclease Cas12a (see the Perspective by Han et al. ). The materials undergo molecular to macroscopic changes after Cas12a-dependent cleavage of double- or single-stranded DNA integrated into the gel. The authors show controlled release of particles linked to or imprisoned within the DNA, degradation of a gel with DNA solely forming the cross-links, and permeabilization of a gel with DNA partially forming the cross-links. These tools allow for the production of materials that release encapsulated nanoparticles and cells, act as degradable fuses, and enable remote radio-frequency identification signaling. Science , this issue p. 780 ; see also p. 754

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.

An integrated, low-cost, sample-to-answer, CRISPR-based diagnostic detects SARS-CoV-2 and variants from unprocessed saliva.

Binding-activated optical sensors are powerful tools for imaging, diagnostics, and biomolecular sensing. However, biosensor discovery is slow and requires tedious steps in rational design, screening, and characterization. Here we report on a platform that streamlines biosensor discovery and unlocks directed nanosensor evolution through genetically encodable fluorogenic amino acids (FgAAs). Building on the classical knowledge-based semisynthetic approach, we engineer ~15 kDa nanosensors that recognize specific proteins, peptides, and small molecules with up to 100-fold fluorescence increases and subsecond kinetics, allowing real-time and wash-free target sensing and live-cell bioimaging. An optimized genetic code expansion chemistry with FgAAs further enables rapid (~3 h) ribosomal nanosensor discovery via the cell-free translation of hundreds of candidates in parallel and directed nanosensor evolution with improved variant-specific sensitivities (up to ~250-fold) for SARS-CoV-2 antigens. Altogether, this platform could accelerate the discovery of fluorogenic nanosensors and pave the way to modify proteins with other non-standard functionalities for diverse applications.