Forskere designer måde at bruge harmløse bakterier til at opdage tungmetaller i drikkevand

Når det kommer til at teste drikkevand for farlige forurenende stoffer, såsom tungmetaller som bly eller cadmium, kontinuerlig test direkte fra vandhaner folk drikker af er vigtig. Endnu, meget lidt af denne form for vandtest er udført. Et team fra UC San Diego og campus spinout Quantitative BioSciences arbejder på at forbedre situationen.

"Vand kan være fint at drikke, godt at drikke, fint at drikke... og så er det ikke, " sagde UC San Diego bioingeniøralumne Natalie Cookson ('08), da hun forklarede værdien af ​​kontinuerlig overvågning af drikkevand, sammenlignet med sporadisk vandovervågning.

Hun håber, at dette arbejde vil producere overkommelige vandtestsystemer, der kan installeres ved de vandhaner, som folk rent faktisk drikker af. Vandet, der forlod renseanlægget i Flint Michigan, for eksempel, havde ikke farligt høje niveauer af bly. Men på det tidspunkt, hvor det samme vand strømmede fra vandhaner fra indbyggere i Flint, bly var i vandet.

Et team fra UC San Diego og Quantitative BioSciences har en ny tilgang til kontinuerlig overvågning af tungmetalforurening i drikkevand ved hjælp af bakterier som forureningssensorer. Holdet har for nylig offentliggjort deres fremskridt i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Science ( PNAS ).

"Vores topprioritet er at udføre arbejde, vi føler os stolte af og vil have en indflydelse, " sagde Cookson.

Mens der findes nogle muligheder for vandtest af tungmetaller i boliger, der er tekniske, omkostninger og logistiske begrænsninger, der står i vejen for udbredelse, løbende overvågning af postevand i boliger, skoler og gårde. San Diego-teamet søger at fjerne disse barrierer.

E. coli som vandtesterne

Den nye tilgang til vandovervågning er afhængig af harmløse stammer af E. coli-bakterier til faktisk at opdage tungmetalforurenende stoffer. Mens E. coli skaber overskrifter i forbindelse med madforgiftning, harmløse stammer af mikroben bruges i laboratorier rundt om i verden til mange forskellige forskningsformål.

De er laboratorierotterne i bakterieverdenen.

"Ok E. coli, " sagde Nick Csicsery. "Hvis arsen er der, og du ved det, Lad os vide."

Nogle gange vidste E. coli, og nogle gange gjorde de det ikke, "afhængigt af metal, " forklarede Csicsery. Han har for nylig opnået sin bioingeniør Ph.D. i Hasty lab ved UC San Diego og har sluttet sig til Quantitative BioSciences, hvor han arbejder på at udvikle syntetisk biologi-baserede overvågningsteknikker.

Hvordan "lader disse mikrober os vide" om tilstedeværelsen af ​​et farligt tungmetal i vandet?

Svaret er, at bakterielle genomer reagerer på forurenende stoffer på måder, som mennesker har lært at genkende.

"Vi har adgang til livets kode, der omgiver os, " sagde Gregoire Thouvenin, en UC San Diego bioingeniør Ph.D. studerende og en anden af ​​co-first forfattere på PNAS papir. "Når du studerer mikrober, du graver dybere, og du indser, at de er mere forbundet med alt andet, end du først troede."

I dette tilfælde, at udnytte disse forbindelser krævede forskere fra mange felter, herunder bioingeniør, syntetisk biologi, mikrofluidik, matematik og datavidenskab for at kombinere kræfter. Resultatet er et system, der overvåger vand i to uger og genkender, når forurenende stoffer i vandet ændrer den genetiske adfærd hos 2, 000 forskellige bakteriestammer.

E. coli hotel

I dette bakteriedrevne vandtestsystem, hver bakteriestamme lever inde i sit eget lille kammer, og alle 2, 000 stammer er linet op i den samme chip lavet af et hårdt gennemskinnelig materiale. Der er små kanaler, der leverer vand, kontaminanter og fødevarer til hvert af kamrene på en kontrolleret måde.

Disse 2, 000 bakteriestammer har hver en smule genetisk materiale indsat i et lille cirkulært stykke af dets DNA (et plasmid), der gør det muligt for et fluorescensoutput at "fremhæve" aktiviteten af ​​et specifikt gen. Når en vandforurening interagerer med det indsatte gen, bakterierne lyser op.

Med deres mikrofluidikopsætning, forskerne kan registrere, hvilke stammer der lyser hvornår. Dette blinkemønster registreres og føres ind i et kunstig intelligenssystem. Resultatet er en automatiseret evne til at identificere, hvornår bakterierne støder på specifikke tungmetalforureninger i vandet, baseret på mønsteret af lys, der produceres af bakterierne. Bioingeniør Ph.D. studerende Garrett Graham ledede datavidenskab og kunstig intelligens-delen af ​​projektet. (Han er uddannet og arbejder som klimadataanalytiker ved North Carolina Institute for Climate Studies.)

Tanken er, at systemerne skal installeres på steder, hvor folk rent faktisk drikker vand, for at identificere forurenet vand.

Mens forskerne valgte identifikation af tungmetal for at demonstrere kraften og fleksibiliteten i deres system, den kunstige intelligens-komponenter kunne trænes til også at identificere andre forurenende stoffer.

Kunsten og videnskaben at lave

Et af de store fremskridt for dette projekt var at finde ud af, hvordan man designer, bygge og køre systemet til indsættelse, bolig, fodring og holde styr på de 2, 000 forskellige bakteriestammer i løbet af to uger.

Lizzy Stasiowski og Nick Csicsery ledede designet og fremstillingen af ​​systemet, som giver mulighed for alle 2, 000 E. coli-stammer, der skal indlæses i systemet på én gang.

Dette projekt fusionerede kunsten og videnskaben om at "fremstille" med syntetisk biologi, genomisk analyse og maskinlæring, at skabe et system, der er klar til at gøre godt i verden.

"En af mine yndlingsting ved dette projekt er, hvor alsidigt det kan være. Vores system giver dig mulighed for at overvåge dynamiske ændringer i genekspression for tusindvis af bakteriestammer samtidigt med enhver miljøændring. Det er et projekt, der er relevant for både industrien og den akademiske verden, " sagde Stasiowski.

Hun afsluttede for nylig sin bioingeniør-ph.d. ved UC San Diego og er Vertex Pharmaceuticals Fellow i San Diego, der arbejder med instrumenteringsforskning og -udvikling.

"Selvom jeg finder fokus på tungmetaller interessant i form af et omhyggeligt proof of concept, Jeg er mest begejstret for teknologien som et screeningsværktøj for forskere og virksomheder, der fokuserer på syntetisk biologi, " sagde Jeff Hasty, en UC San Diego professor i bioteknik og biologi, der er seniorforfatter på PNAS-avisen. "Teknologien er godt positioneret til opdagelsen af ​​gener, der reagerer på komplekse signaler, der findes i miljømæssige og medicinske applikationer."

Brugt som screeningsværktøj, platformens unikke kombination af mikrofluidik og kunstig intelligens kan hjælpe med at kaste nyt lys over de mekanismer, der gør celler i stand til at fortolke og reagere på skiftende miljøer, og muliggør testning af syntetiske stammer designet til at interagere med miljøet på nye måder. Eksisterende screeningsteknikker har sjældent både den tidsmæssige opløsning og gennemstrømning, der er nødvendig for at gøre det. Derfor har platformen potentiale til at være af stor værdi for både syntetiske biologer (som designer og implementerer nye funktioner i levende celler) og systembiologer (som bygger omfattende modeller af alle reaktioner, der forekommer i en celle).

Thouvenin voksede lidt mere filosofisk. "Levende ting omkring os er formbare, og de er blevet smukt formet og udformet af evolution gennem millioner af år. Og nu har vi adgang til det, både i forhold til at forstå det, genbruge det, og i sidste ende optimere den til en foranderlig verden."