As bactérias podem ser feitas para entender vários tipos de moléculas, como poluentes ou nutrientes do solo. No entanto, na maioria dos casos, esses sinais só podem ser detectados sob um microscópio ou ferramentas de laboratório igualmente sensíveis, tornando -as irracionais para uso de tamanho maior.
Usando um novo método que aciona células para produzir moléculas que formam uma combinação única de células, os engenheiros do MIT mostraram que podem ler esses sinais bacterianos a 90 metros de distância. Seu trabalho pode levar ao desenvolvimento de sensores de bactérias para agricultura e outras aplicações, que podem ser monitoradas por drones ou satélites.
“Se você estiver ao lado dele, se você o apoiar, não pode ver nada na frente do olho, poderá ativar os dados usando uma câmera específica a algumas centenas de metros de distância”, diz Christopher Vegt, chefe do Departamento de Engenharia Biológica do MIT e autor sênior da nova pesquisa.
Aparecer em um papel Biotecnologia da naturezaOs pesquisadores mostraram que podem criar dois tipos diferentes de engenheiros de bactérias que podem produzir moléculas que desligam o comprimento da luz e fecham o comprimento único do comprimento de onda exclusivo da luz nos espectros de infravermelho, que pode ser retratado com a câmera hipertecida. As moléculas deste relatório foram conectadas ao circuito genético que detecta as bactérias mais próximas, mas esse método também pode ser combinado com um sensor existente, como para o arsênico ou outros contaminantes, dizem os pesquisadores.
“O melhor dessa tecnologia é conectar e reproduzir qualquer sensor que você quiser”, o MIT Postdok, que diz Yonatan Chemla, um dos principais escritores do jornal. “Nenhum sensor é compatível com essa tecnologia. Não há razão”.
Eatai Levin PhD ’24 também é um grande escritor de papel. Outros autores incluem o ex -estudante de graduação Yoyang Fan ’23 e Anna Johnson ’22 e Konar Koli, professor associado de engenharia química do MIT.
Imagem hiperespectral
Existem muitas maneiras de fazer engenharia de células de bactérias para que possam entender um produto químico específico. A maioria deles trabalha conectando uma detecção molecular com saída como proteína fluorescente verde (GFP). Eles funcionam bem para estudos de laboratório, mas esses sensores nacionais não podem ser medidos a longas distâncias.
Para uma sensação distante, a equipe do MIT traz a idéia de fazer com que o engenheiro de células crie moléculas de repórter hiperactral, que podem ser detectadas usando a câmera hipertecional. Essas câmeras, que foram inventadas pela primeira vez na década de 1970, podem determinar quanto o comprimento de onda de cada cor está presente em qualquer pixel. Em vez de aparecer como vermelho ou verde, cada pixel contém centenas de diferentes comprimentos de onda da luz.
Atualmente, as câmeras hiperespectrais são usadas para aplicações, como detectar a presença de radiação. Nas áreas circundantes de Chernobyl, essas câmeras são usadas para medir as pequenas alterações de cor que produzem metais radioativos em clorofilas de células vegetais. As câmeras hiperespectrais também são usadas para encontrar sinais de desnutrição ou ataques de patógenos na planta.
Este trabalho inspirou a equipe do MIT a explorar que, quando detectaram uma molécula alvo, a explorar se as bactérias poderiam fazer com que os engenheiros produza os repórteres hiperespectrais.
Para ser o mais eficaz do repórter hipertico, ele deve ter uma assinatura de espectro com vários picos de luz de comprimento de onda, facilitando a detecção. Os pesquisadores realizaram cálculos quânticos para prever assinaturas hiperespectrais de cerca de 20.000 células naturalmente, por isso permitiram os padrões mais exclusivos de emissões de luz. Outra característica essencial é o número de enzimas que precisam ser engenheiro em uma célula para produzir o repórter – um recurso que pode ser diferente para diferentes tipos de células.
“A molécula ideal é uma que é diferente de tudo o mais, o torna detectável e requer o menor número de enzimas para produzi -lo na célula”, disse Vegt.
Neste estudo, os pesquisadores identificaram duas moléculas separadas que eram mais adequadas para dois tipos de bactérias. Pediu uma bactéria de argila PilhaEles usaram um repórter chamado Billydine – um pigmento que resulta na quebra da bainha. Pediu um germe aquático Rubrivax gelatinosusEles usam um tipo de bacterioclorofila. Para cada bactéria, os pesquisadores fizeram as enzimas necessárias para produzir repórteres na célula hospedeira e depois associaram seu circuito de sensor geneticamente de engenharia.
“Você pode adicionar um desses jornalistas a um órgão genitais ou qualquer célula com um órgão genitais que são genitalmente codificados no genoma, para que possa responder a metálicos ou radiação ou toxinas ou nutrientes no solo, ou o que você deseja responder a esta molécula, a produção dessa molécula que está em grande parte”, então pode ser a que você pode responder.
Vulnerável
Nesta pesquisa, os pesquisadores anexaram o circuito projetado para detecção de quorum a jornalistas hiperespectrais, permitindo que as células detectassem outras bactérias nas proximidades. Eles também mostraram que as moléculas deste relatório poderiam estar associadas a sensores para produtos químicos, incluindo arsênico.
Ao examinar seus sensores, os pesquisadores os implantaram em suas caixas para ficarem. As caixas foram colocadas no campo, no deserto ou no edifício do edifício, e as células fizeram sinais que podem ser detectados usando a câmera hipertecida montada nos drones. O campo de visualização da câmera leva cerca de 20 a 30 segundos para digitalizar e os algoritmos do computador analisam os sinais para revelar se os jornalistas hiperticais estão presentes.
Neste estudo, os pesquisadores relataram imagens a uma distância máxima de 90 metros, mas agora estão trabalhando para aumentar essas distâncias.
Eles imaginam que esses sensores podem ser implantados para agricultura, como detectar níveis de nitrogênio ou nutrientes no solo. Para essas aplicações, os sensores também podem ser projetados para funcionar em células vegetais. As minas terrestres são mais um aplicativo possível para esse tipo de detecção detectada.
Antes de serem implantados, os censores serão necessários se o Departamento de Agricultura dos EUA for usado para aprovação regulatória pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA e também para a agricultura. Voigt e Chemla estão trabalhando com agências, comunidades científicas e outras partes interessadas para determinar que tipo de perguntas precisam ser respondidas antes de aprovar essas tecnologias.
“Estávamos muito ocupados nos últimos três anos para entender quais são as paisagens regulatórias e quais são as preocupações da proteção, quais são os riscos, os benefícios desse tipo de tecnologia?” Diz Chemla.