To-trins gassensor rapporterer om jordens dynamik

Et gen "geni" udviklet af forskere fra Rice University giver forskere værdifulde data om mikrober gennem gaspust fra jorden. Den seneste version er en robust to-trins mikrobiel sensor, der hjælper bioingeniører, geobiologer og andre forskere observerer genekspression og biotilgængeligheden af ​​næringsstoffer i laboratoriefaksimilier af miljøer som jord og sedimenter uden at forstyrre dem.

Gassen produceres af mikrober, der er genetisk manipuleret til at rapportere om både deres miljø og aktivitet og blandes i jordprøver i indeholdte laboratorieforsøg. En gas, der siver ud, fortæller forskere, hvor mange af målmikroberne, der er til stede, og en anden gas fortæller forskere, hvad mikroberne laver. Til sidst, Rice -teamet vil gerne have, at de programmerede mikrober afslører, om og hvordan de kommunikerer med hinanden.

Detaljer om sensorerne fremgår af American Chemical Society journal ACS syntetisk biologi .

Den igangværende forskning begyndte i 2015 med et tilskud på 1 million dollar fra W.M. Keck Foundation og ledes af Rice syntetiske biolog Jonathan Silberg, biogeokemiker Caroline Masiello og kandidatstuderende og hovedforfatter Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Deres mål har været at måle bioaktivitet i uigennemsigtige miljøer, især dem, hvor ændring af miljøet ville ændre resultaterne.

Silberg sagde, at de nye gasemitterende mikrober fungerer efter det samme princip som dem, der indeholder to fluorescerende proteiner; for eksempel, et grønt fluorescerende protein ville mærke alle cellerne i et fad, og et rødt ville lyse, når det udløses af en mikrobiel aktivitet, som proteinekspression eller nærhed af et specifikt molekyle.

"I disse systemer, du kan kontrollere forholdet mellem grønt og rødt og vide, gennemsnitlig, hvad cellerne laver, "sagde han." Men det virker ikke i jord. "

I øjeblikket, forskere måler mikrobiel aktivitet i jord ved at male prøver og bruge processer som højtydende væskekromatografi til at kvantificere deres indhold. Det eliminerer ikke kun muligheden for at studere den samme prøve over tid, det begrænser også dataens omfang.

"Vores system besvarer det rigtige spørgsmål, "Sagde Masiello." Ved mikrober, at disse forbindelser er til stede, og hvad gør de som svar på dem? "

I Rice labs forholdsmetriske system, gasser, der kommer fra modificerede E coli eller andre mikrober kan hjælpe forskere med at måle jordens udvikling. Ratio-metrisk betyder, at gasoutput er direkte proportional med input, i dette tilfælde det aktivitetsniveau, mikroben registrerer.

I en test, E coli blev modificeret til at udtrykke enzymer, der syntetiserer ethylen og bromethan. Bakterien fremstillede kontinuerligt ethylen, som gjorde det muligt for forskerne at overvåge størrelsen af ​​mikrobepopulationen, men lavede kun bromomethan, når det blev udløst af, I dette tilfælde, biotilgængeligheden af ​​acylhomoserinlaktoner (AHL), molekyler, der letter signalering mellem bakterier.

Efter Cheng satte E coli i landbrugsjord og indstil temperaturen for at maksimere gassignaler, hun fandt ud af, at tilføjelse af kort- og langkædet AHL ikke påvirkede ethylenproduktionen, men dramatisk påvirkede bromethan. Den højeste koncentration af kortkædet AHL øgede bromomethansignalet mere end en størrelsesorden, og langkædede AHL næsten to størrelsesordener.

Test med en anden bakterie, Shewanella, hvis oprindelige levested er et sediment, viste tilsvarende robuste resultater. "Det dynamiske område til registrering af kemikalier med det, Shelly har bygget, er meget godt, "Sagde Silberg." Det vil variere med organismen, men syntetisk biologi handler virkelig om at indstille alt det. "

"Det særligt nyttige aspekt af dette arbejde er potentialet til at skelne mellem, hvad der er kemisk udvindeligt i et hav- eller jordmiljø, og hvad en mikrobe opfatter, er der, "Masiello sagde." Bare fordi vi kan male en jord og måle noget, betyder det ikke, at planter eller mikrober ved, hvad der er. Disse værktøjer er det, vi har brug for for at kunne, for første gang, måle mikrobiel opfattelse af deres miljø. "

De modificerede mikrober er beregnet til at blive brugt til laboratorietest og ikke i naturen. Men tests ville være meget hurtigere end de nuværende processer og tillade laboratorier at overvåge en prøve kontinuerligt over tid. Forskerne forudser anvendelser ikke kun inden for syntetisk biologi og miljøvidenskab, men også til at spore miljøskæbnen for tarmbakterier, der udvikles til diagnostik og terapi.

Fremadrettet, Rice lab har til hensigt at fokusere sin indsats på sensorens betingede output -del. "Da vi har bygget dette, mennesker som (Rice bioscientist) Jeff Tabor og andre standardiserer sansemodulerne, "Silberg sagde." Vi bygger nye outputmoduler, som du derefter kan koble til den store mangfoldighed af sensorer, de bygger.

"Shelly har virkelig ført vejen til at bevise, at vi kan lave gasrapportering, og hun var den første til at gøre det i jord, "sagde han." Hun viste derefter, at vi kunne gøre det med vandret genoverførsel som en del af vores bevis på koncept, og nu dette. Værktøjerne er lige ved at komme dertil, og jeg tror, ​​at ansøgninger vil være de næste. "