Датчики на основе бактерий обеспечивают обнаружение арсенита и кадмия в воде в режиме реального времени.

Исследование из Rice University создало генетически модифицированные клетки E. coli для обнаружения токсинов

Исследователи из Университета Райса разработали технологию, позволяющую генетически модифицированным клеткам E. coli действовать как живые мультиплексные датчики. Эти клетки могут одновременно обнаруживать несколько токсинов в окружающей среде и реагировать на них, преобразуя биологические реакции в читаемые электрические сигналы.

Такое инновационное решение открывает возможности для дистанционного мониторинга водных систем, трубопроводов и промышленных объектов в режиме реального времени. Потенциальные будущие применения включают биовычисления.

Новое исследование опубликовано в Nature Communications

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, представлен инновационный метод обнаружения арсенита и кадмия в режиме реального времени на месте. Этот метод соответствует уровням, установленным Агентством по охране окружающей среды.

Преодоление ограничений существующих биоэлектронных датчиков

Исследование под руководством Сюй Чжана, Маримикель Шаррье и Кэролайн Аджо-Франклин направлено на решение существенной проблемы эффективности современных биоэлектронных датчиков. Обычно для каждого целевого соединения требуются выделенные каналы связи. Стратегия мультиплексирования исследовательской группы значительно увеличивает пропускную способность информации, используя врождённую чувствительность и адаптивность бактерий на самоуправляемой платформе.

«Эта система представляет собой значительный скачок вперёд в биоэлектронном зондировании, кодируя несколько сигналов в единый поток данных и затем декодируя эти данные в несколько чётких ответов типа «да» или «нет», — сказала Аджо-Франклин, профессор наук о жизни и соответствующий автор исследования.

Использование бактерий для генерации электрических сигналов

Обычные биоэлектронные датчики используют генетически модифицированные бактерии для генерации электрических сигналов. Однако для каждого анализируемого вещества обычно требуются свои специально разработанные бактерии.

Исследователи вдохновились волоконно-оптической связью, где разные длины волн света несут отдельные потоки данных по одному кабелю. Они рассудили, что электрические сигналы с различными окислительно-восстановительными потенциалами могут аналогичным образом мультиплексировать информацию с одного датчика.

«Нам нужно было определить, как надёжно разделять сигналы разной энергии независимо от образца или токсина», — сказал Чжан, соавтор исследования и постдокторант в области наук о жизни.

Электрохимический метод для изоляции окислительно-восстановительных сигнатур

Исследовательская группа разработала электрохимический метод, который изолирует эти окислительно-восстановительные сигнатуры и преобразует их в двоичные ответы, указывающие на наличие или отсутствие каждого токсина. Их работа объединила синтетическую биологию с электрохимическим анализом, запрограммировав генетически модифицированные штаммы E. coli для специфического взаимодействия либо с арсенитом, либо с кадмием, что приводило к различным электрическим ответам.

Система может одновременно сообщать о двух токсинах, используя унифицированную электродную установку, путём использования массива датчиков, который различает эти окислительно-восстановительные сигнатуры.

Мультиплексные датчики успешно обнаружили арсенит и кадмий на порогах, установленных Агентством по охране окружающей среды, в ходе экологических испытаний. Эта возможность имеет решающее значение, особенно с учётом потенциального синергетического токсического воздействия при совместном присутствии обоих металлов.

«Эта система позволяет нам более эффективно и точно обнаруживать комбинированные опасности», — сказал Шаррье, соавтор исследования и старший специалист по биоинженерии. «Более того, поскольку платформа является модульной, её можно масштабировать для одновременного скрининга большего количества или других токсинов».

Интеграция беспроводных технологий

Интеграция беспроводных технологий расширяет возможности системы за пределы мониторинга тяжёлых металлов. Например, датчик может обеспечить дистанционное наблюдение за водными системами, трубопроводами и промышленными объектами в режиме реального времени.

Базовая биоэлектронная структура также указывает на будущие применения в биовычислениях, где генетически модифицированные клетки могут не только ощущать и хранить данные об окружающей среде, но и потенциально обрабатывать и передавать их через электронные интерфейсы.

Это исследование закладывает основу для передовой биоцифровой интеграции. Работа исследовательской группы знаменует собой ранний, но заметный шаг к разработке интеллектуальных, автономных сетей биосенсоров.

По словам исследователей, по мере развития области биоэлектроники они видят, как мультиплексные беспроводные бактериальные датчики станут важными инструментами, которые можно будет использовать в масштабе для мониторинга окружающей среды, диагностики и даже биовычислительных задач, работающих на микроорганизмах.

«Ключевым преимуществом нашего подхода является его адаптивность; мы считаем, что это лишь вопрос времени, когда клетки смогут кодировать, вычислять и передавать сложную информацию об окружающей среде или биомедицинских данных», — сказала Аджо-Франклин.

Предоставлено Университетом Райса.

Источник