En mere sikker måde at implementere bakterier som miljøsensorer

I de seneste år, forskere har udviklet mange stammer af manipulerede bakterier, der kan bruges som sensorer til at opdage miljøforurenende stoffer såsom tungmetaller. Hvis de udsættes i det naturlige miljø, disse sensorer kan hjælpe videnskabsmænd med at spore, hvordan forureningsniveauer ændrer sig over tid, over et bredt geografisk område.

MIT-ingeniører har nu udtænkt en måde at gøre denne form for udrulning mere sikker, ved at indkapsle bakteriesensorer i en sej hydrogelskal, der forhindrer dem i at undslippe ud i miljøet og potentielt sprede modificerede gener til andre organismer.

"Lige nu er der en masse helcelle biosensorer under udvikling, men at anvende dem i den virkelige verden er en udfordring, fordi vi ikke ønsker, at nogen genetisk modificerede organismer skal være i stand til at udveksle genetisk materiale med vildtypemikrober, " siger MIT kandidatstuderende Tzu-Chieh Tang, en af ​​hovedforfatterne til det nye studie.

Tang og hans kolleger viste, at de kunne indlejre E. coli i hydrogelsfærer, giver dem mulighed for at opdage de forurenende stoffer, de leder efter, mens de forbliver isolerede fra andre organismer. Skallerne hjælper også med at beskytte sensorerne mod miljøskader.

Timothy Lu, en MIT lektor i elektroteknik og datalogi og i biologisk teknik, og Xuanhe Zhao, en MIT-professor i maskinteknik og i civil- og miljøteknik, er de ledende forfattere af undersøgelsen, som vises i dag i Naturens kemiske biologi . Sammen med Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 og MIT kandidatstuderende Xinyue Liu er også hovedforfattere af papiret.

Fysisk indeslutning

Ved at konstruere bakterier til at udtrykke genetiske kredsløb, som de normalt ikke har, forskere kan sætte dem i stand til at opdage en række forskellige molekyler. Tit, kredsløbene er designet således, at påvisning af målet udløser produktion af grønt fluorescerende protein eller bioluminescens. I andre kredsløb, et minde om hændelsen registreres i cellernes DNA.

De genetiske kredsløb, der indgår i disse bakterier, inkluderer ofte gener for antibiotikaresistens, hvilket gør forskerne i stand til at sikre, at deres genetiske kredsløb er blevet korrekt indsat i bakteriecellerne. Imidlertid, disse gener kan være skadelige, hvis de frigives i miljøet. Mange bakterier og andre mikrober er i stand til at udveksle gener, selv mellem forskellige arter, ved hjælp af en proces kaldet horisontal genoverførsel.

For at forsøge at forhindre denne form for genudveksling, forskere har brugt en strategi kaldet "kemisk indeslutning, " som involverer at designe bakteriesensorerne, så de kræver et kunstigt molekyle, som de ikke kan få i naturen. i en meget stor population af bakterier, der er en chance for, at et lille antal vil erhverve mutationer, der giver dem mulighed for at overleve uden det molekyle.

En anden mulighed er fysisk indeslutning, opnås ved at indkapsle bakterier i en enhed, der forhindrer dem i at undslippe. Imidlertid, de materialer, der er blevet prøvet indtil nu, såsom plastik og glas, fungerer ikke godt, fordi de danner diffusionsbarrierer, der forhindrer bakterier i at interagere med de molekyler, de er designet til at opdage.

I dette studie, forskerne besluttede at prøve at indkapsle bakteriesensorer i hydrogeler. Disse er elastiske materialer, der kan dannes af en række forskellige byggeklodser. Mange naturligt forekommende hydrogeler, såsom alginat, som stammer fra alger, er for skrøbelige til at beskytte celler i et udendørs miljø. Imidlertid, Zhaos laboratorium har tidligere udviklet nogle meget hårde, strækbare hydrogeler, som forskerne mente kunne være velegnede til at indkapsle bakterier.

For at lave de beskyttende kugler, forskerne indlejrede først bakterier i alginat, sammen med nogle essentielle næringsstoffer. Disse kugler blev derefter belagt med en af ​​Zhaos seje hydrogeler, som er lavet af en kombination af alginat og polyakrylamid. Dette ydre lag har porer, der spænder fra 5 til 50 nanometer i diameter, som tillader molekyler som sukkerarter eller tungmetaller at passere igennem. Imidlertid, DNA og større proteiner kan ikke gå igennem.

Opdagelse af forurening

Kuglerne, som forskerne konstruerede til denne undersøgelse, er omkring 5 millimeter i diameter og kan bære op til 1 milliard bakterieceller. Forskerne brugte kuglerne til at indkapsle E. coli-bakterier, der var designet til at påvise cadmium, et tungmetal.

For at teste sensorerne, forskerne placerede dem i vandprøver indsamlet fra Charles River. For at afgøre, om sensorerne kunne detektere forurenende stoffer inde fra deres kugler, forskerne tilføjede cadmium til prøverne og fandt ud af, at bakterierne kunne detektere det nøjagtigt. Forskerne viste også, at bakterierne ikke undslap fra kuglen eller lækkede noget genetisk materiale.

Forskerne demonstrerede, at deres indkapslingsteknik også fungerede med en anden stamme af E. coli, der var konstrueret til at være afhængig af et kunstigt molekyle - en aminosyre, der ikke findes i naturen.

"Vi forsøger at finde en løsning for at se, om vi kan kombinere kemisk og fysisk indeslutning. På den måde, hvis en af ​​dem mislykkedes, den anden kan holde tingene i skak, " siger Tang.

I fremtidige undersøgelser, forskerne håber at teste sensorerne i et modelmiljø, der vil simulere virkelige forhold. Ud over at opdage miljøforurenende stoffer, denne type sensor kan potentielt bruges til medicinske applikationer såsom påvisning af blødning i fordøjelseskanalen, siger forskerne.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.