Sensor de bacterias de ingeniero científico para producir moléculas que se puedan detectar a 90 metros de distancia

Las bacterias se pueden diseñar para comprender una variedad de moléculas, como contaminantes o nutrientes del suelo. Sin embargo, en la mayoría de los casos, estos signos solo pueden detectarse mirando las células bajo un microscopio o dispositivos de laboratorio similares, lo que los hace poco prácticos para el uso masivo.

Utilizando un nuevo método que desencadena las células para producir moléculas que generan combinaciones únicas de color, los ingenieros del MIT han demostrado que pueden leer estas señales de bacterias a 90 metros de distancia. Su trabajo puede conducir al desarrollo de sensores bacterianos para la agricultura y otras aplicaciones, que pueden ser monitoreadas por drones o satélites.

Bajo el liderazgo de Christopher Woigat, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, el equipo demostró que pueden diseñar dos tipos diferentes de bacterias para producir moléculas que proporcionen una longitud de onda específica de luz en espectros visuales e infrarrojos de luz, que pueden ser inmediatamente con cámaras de hipertrofol. Estas moléculas de informes se asociaron con circuitos genéticos que detectan bacterias cercanas, pero este enfoque también se puede combinar con cualquier sensor existente, como el arsénico u otros contaminantes, sugirieron los investigadores. "Esta es una nueva forma de obtener información de la celda. Si está de pie junto a ella, no puede ver nada desde el ojo, pero a una distancia de cientos de metros, utilizando cámaras específicas, puede obtener la información cuando se enciende", dijo Voigat.

"Lo bueno de esta técnica es que sea cualquier sensor que desee, que puedas enchufar y jugar", dijo Yonnon Camla, PhD, un postdock MIT. "No hay razón para que ningún sensor sea compatible con esta técnica". Voigt es una escritora senior, y Camla es un escritor de co-nivelado, que describe el artículo publicado del equipo, que describe su tecnología Hyperpactral Reporter (HSR) ,, Biotecnología de la naturalezaTema, "Corresponsales hiperpactrales para detectar larga distancia y un área amplia de expresión génica en bacterias vivas"En su informe, el equipo concluyó," el uso de corresponsales hiperpactrales puede desbloquear nuevos biosyns y aplicaciones de seguimiento y puede facilitar nuevos métodos de monitoreo para señales ambientales, como el mape de la contaminación en sitios superfundos, nutrientes de lodo o estructura básica para la agricultura. "

Las células bacterianas de ingenieros tienen muchos métodos para que puedan sentir un químico especial. La mayoría de estos funcionan conectando una salida como la proteína fluorescente verde (GFP) para detectar una molécula. Estos laboratorios funcionan bien para los estudios, pero tales sensores no pueden medirse por largas distancias. Los autores dijeron: "Los corresponsales codificados genéticamente son adecuados para imágenes de corta distancia en el laboratorio, pero no para escanear amplias afueras desde muy lejos", dijeron los autores.

Para la detección de larga distancia, el equipo del MIT ideó ideas para que las células ingenieras produzcan moléculas informadoras hiperpactrales, que se pueden detectar utilizando cámaras hiperpactrales. Estas cámaras, que se inventaron por primera vez en la década de 1970, pueden determinar cuánto hay cada color presente en la longitud de onda en cualquier píxel. En lugar de mostrar solo color rojo o verde, cada píxel tiene información sobre cientos de diferentes longitudes de onda de luz. El equipo dijo: "En las cámaras de imágenes hiperspactrales (HSI), cada píxel es un espectro cercano de luz reflejada", dijo el equipo. "Las cámaras HSI pueden escanear las escalas planetarias y se usan ampliamente en agricultura precisa, detección ambiental, forense y defensa".

Actualmente, las cámaras hiperpactrales se utilizan para aplicaciones como la detección de la presencia de radiación. En áreas alrededor de Chernobyl, estas cámaras se han utilizado para medir cambios de color menores que se producen en la clorofila de las células vegetales de metales radiactivos. Las cámaras hiperespactrales también se utilizan para ver signos de desnutrición o invasión de patógenos en plantas. "Se utilizan vehículos aéreos no tripulados (UAV), aviones y satélites, se han utilizado cámaras HSI para obtener imágenes para detectar evidencia de cultivos enfermos, cambios en la cubierta del suelo en sitios de tumbas y clorofila afectadas por radiación cerca de Chernobyl". El equipo del MIT estaba motivado para averiguar si podían diseñar células bacterianas para producir corresponsales hiperpactrales cuando detectan una molécula objetivo.

Para ser el más útil para un reportero hiperpactral, debe tener una firma espectral con muchas longitudes de onda de luz, lo que hace que sea más fácil de detectar. Los investigadores dijeron: "Idealmente, todo el espectro proporcionará información que se puede extraer para mejorar la señal a la orilla". "Los catálogos de bases de datos han enumerado decenas de miles de metabolitos, pero menos de 100 han enumerado los espectros de absorción empírica". Para sus nuevos estudios publicados, los investigadores demostraron cálculos cuánticos para predecir las firmas hiperpactrales de alrededor de 20,000 moléculas celulares naturales, lo que les permite identificar a las personas con los patrones más únicos de emisiones de luz.

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Otra característica importante es el número de enzimas que el reportero necesitará ser diseñado en una celda para que produzca, una característica que variará en diferentes tipos de células. "La molécula ideal es una que es realmente diferente de todo de lo que se detecta, y el menor número de enzimas se requiere para producirlo en la célula", dijo Voigt.

A través de su trabajo recién informado, los investigadores identificaron dos moléculas separadas que eran más adecuadas para dos tipos de bacterias. Pidió una bacteria de tierra Pudomonus putidaUtilizó un periodista, llamado bilivardina, un pigmento que surge del desglose del dobladillo. Para un bacteriano acuático Rubrivax gelatinosusUsó un tipo de bacteriocrophil. Para cada bacteria, los investigadores diseñaron las enzimas necesarias para producir reporteros en la célula huésped, y luego los conectaron genéticamente al circuito de censura de ingenieros. Los investigadores dijeron: "La simulación mecánica cuántica de 20.170 metabolitos identificó el HSR candidato, lo que llevó a la selección de bilirdina IX HEXα y bacteriocolorófilo A por sus espectros de absorción separados y viabilidad biosíntica". “Estos genes se integraron en el circuito del sensor químico en el suelo (Pudomonus putida) Y acuático (Rubrivax gelatinosus) Bacterias. ,

Voigt explicó además: "Puede agregar uno de estos periodistas a una bacteria o cualquier célula, que tenga sensores genéticamente codificados en su genoma. Por lo tanto, puede responder a metales o radiación o toxinas en el suelo, o nutrientes en el suelo, o lo que desee, puede producir esta molécula".

Los investigadores conectaron corresponsales hiperpactrales con el circuito diseñado para la detección de quórum, lo que permite a las células detectar otras bacterias cercanas. Los investigadores también han demostrado, seguido de un nuevo artículo publicado en el trabajo realizado, que estas moléculas de informes pueden conectarse a los sensores de productos químicos, incluido el arsénico.

Mientras probaban su sensor, los investigadores los desplegaron en la caja para que fueran investidos. Las cajas se colocaron en los techos de los campos, el desierto o los edificios, y las celdas produjeron señales que se pueden detectar utilizando las cámaras hiperpactrales instaladas en el dron. Se tarda entre 20 y 30 segundos en escanear el campo de ver las cámaras, y los algoritmos de la computadora analizan las señales para explicar si están presentes reporteros hiperpactrales. El equipo reportó imágenes desde un máximo de 90 metros, pero ahora están trabajando para aumentar esas distancias. Él escribió: "Se detectaron bacterias bajo una luz ambiental de hasta 90 metros en una sola imagen hiperpactral de 4.000 m2, que se tomó utilizando cámaras fijas y no tripuladas montadas en vehículos de aire", escribió. Las cámaras HSI están ampliamente disponibles en plataformas, lo que afirma que desde cámaras en mano hasta UAV y satélites. "Además, la HSR se puede obtener imágenes durante el día bajo la posición ambiental e identificada en un entorno espectralmente complejo, que incluye estructuras abiertas, vegetación y urbanas".

Se imaginan que estos sensores pueden desplegarse con fines agrícolas, como la sensación de nitrógeno o nivel nutritivo en el suelo. Para esas aplicaciones, el sensor también se puede diseñar para funcionar en células vegetales. La detección de mina terrestre para este tipo de sensación es otra posible aplicación. "Aunque nos hemos centrado en especies bacterianas, HSR también se puede usar en hongos, plantas, insectos y animales altos, que son para una variedad de aplicaciones", sugirió. "Por ejemplo, en las plantas, HSR se puede usar para monitorear la expresión génica en lugar de su impacto indirecto en las plantas que se utilizan actualmente en la agricultura precisa. Junto con otros periodistas, los HSR también pueden apoyar el seguimiento dinámico de la expresión génica en grandes ecosistemas".

Antes de ser desplegado, el sensor tendrá que someterse a la aprobación regulatoria de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, así como por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos si se usa para la agricultura. Tanto Voigt como Chemla están trabajando con agencias, comunidades científicas y otras partes interesadas para determinar qué tipo de preguntas deben responderse antes de aprobar estas tecnologías. "Estamos muy ocupados en los últimos tres años que está trabajando para comprender cuáles son los paisajes regulatorios y cuáles son las preocupaciones de seguridad, cuáles son los riesgos, cuáles son los beneficios de dicha tecnología?" Dijo Camla.