Биоинженеры научили бактерии светиться в ответ на токсины

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый способ «читать» сигналы генетически модифицированных бактерий на расстоянии до 90 метров — с помощью обычных дронов и специальных камер. Это может привести к созданию дешевых, масштабируемых и визуально доступных биосенсоров для мониторинга окружающей среды и сельского хозяйства. Результаты опубликованы в Nature Biotechnology.

Обычно бактерии можно научить «чуять» различные молекулы — от питательных веществ до токсинов. Однако результат работы таких сенсоров сложно считать — для этого нужны микроскопы или специализированное лабораторное оборудование. Решение, предложенное командой MIT, состоит в том, чтобы заставить бактерии производить особые молекулы, которые испускают уникальные комбинации света — гиперспектральные сигналы.

Гиперспектральная камера, в отличие от обычной, видит не просто цвета, а спектры из сотен длин волн. Каждая молекула испускает свой «оптический отпечаток», который можно легко выделить на фоне других.

«Если вы стоите рядом с клеткой, вы ничего не увидите глазами, но с расстояния в сотни метров с помощью специальных камер можно получить информацию, когда она активируется», — объясняет профессор Кристофер Фойгт, глава кафедры биоинженерии MIT.

Как это работает?

Ученые разработали генетические цепи, которые запускают выработку особых сигнальных молекул в ответ на определенные вещества. 

• Почвенная бактерия Pseudomonas putida вырабатывает биливердин — пигмент, образующийся при распаде гемоглобина.

• Водная бактерия Rubrivivax gelatinosus производит бактериохлорофилл — природный пигмент, аналог хлорофилла.

Чтобы выбрать наиболее подходящие молекулы, исследователи проанализировали около 20 000 вариантов по их спектральным свойствам и количеству ферментов, необходимых для синтеза. Главный критерий: яркая и уникальная «подпись» + минимум изменений в бактериальной клетке.

Разработанные бактерии были помещены в ящики и размещены на открытых пространствах — в полях, пустынях и на крышах. Гиперспектральные камеры на дронах фиксировали сигналы с расстояния до 90 метров, при этом полное сканирование занимало 20–30 секунд. Алгоритмы обрабатывали изображения и распознавали присутствие сигнальных молекул.

Технология уже продемонстрировала совместимость с сенсорами для химикатов, таких как мышьяк, и может быть легко адаптирована для других целей:

• определение уровня азота и питательных веществ в почве.

• мониторинг токсинов или загрязнений на почве и растениях

«Нет никаких причин, по которым какой-либо датчик не будет совместим с этой технологией», — отмечает Йонатан Чемла, один из ведущих авторов.

Перед массовым внедрением система должна пройти сертификацию в Агентстве по охране окружающей среды США (EPA) и Министерстве сельского хозяйства (USDA). Исследователи уже сотрудничают с этими структурами и научным сообществом, чтобы оценить риски, безопасность и возможное влияние на экосистемы. В дальнейшем ученые планируют распространить технологию для других стран.