Als het gaat om het testen van drinkwater op gevaarlijke verontreinigingen, zoals zware metalen zoals lood of cadmium, continu testen rechtstreeks uit kranen waar mensen uit drinken is belangrijk. Nog, zeer weinig van dit soort water testen wordt gedaan. Een team van UC San Diego en de campus-spin-out Quantitative BioSciences werkt aan verbetering van de situatie.

"Water is misschien prima om te drinken, prima om te drinken, prima om te drinken... en dan is het niet, " zei UC San Diego bio-ingenieur alumna Natalie Cookson ('08) terwijl ze de waarde van continue monitoring van drinkwater uitlegde, in vergelijking met sporadische watermonitoring.

Ze hoopt dat dit werk betaalbare watertestsystemen zal opleveren die kunnen worden geïnstalleerd bij de kranen waar mensen daadwerkelijk uit drinken. Het water dat de zuiveringsinstallatie in Flint Michigan verliet, bijvoorbeeld, geen gevaarlijk hoog loodgehalte had. Maar tegen de tijd dat hetzelfde water uit de kranen van bewoners van Flint stroomde, lood lag in het water.

Een team van UC San Diego en Quantitative BioSciences heeft een nieuwe benadering voor continue monitoring van verontreiniging met zware metalen in drinkwater met behulp van bacteriën als sensoren voor verontreiniging. Het team publiceerde onlangs hun vorderingen in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Science ( PNAS ).

"Onze topprioriteit is om werk te doen waar we trots op zijn en een impact zullen hebben, ' zei Cookson.

Hoewel er enkele opties bestaan ​​voor het testen van water in woningen van zware metalen, er zijn technische, kosten en logistieke beperkingen die wijdverbreide, continue monitoring van leidingwater in woningen, scholen en boerderijen. Het team van San Diego probeert deze barrières weg te nemen.

E. coli als de watertesters

De nieuwe benadering van watermonitoring is gebaseerd op onschadelijke stammen van E. coli-bacteriën om verontreinigingen met zware metalen daadwerkelijk te detecteren. Terwijl E. coli de krantenkoppen haalt in verband met voedselvergiftiging, onschadelijke stammen van de microbe worden in laboratoria over de hele wereld gebruikt voor veel verschillende onderzoeksdoeleinden.

Het zijn de laboratoriumratten van de bacteriële wereld.

"Ok E. coli, "zei Nick Csicsery. "Als arseen er is en je weet het, laat het ons weten."

Soms wisten de E. coli het wel en soms niet, "afhankelijk van het metaal, ", legde Csicsery uit. Hij heeft onlangs zijn doctoraat in bio-engineering behaald in het Hasty-lab van UC San Diego en is lid geworden van Quantitative BioSciences, waar hij werkt aan de ontwikkeling van op synthetische biologie gebaseerde monitoringtechnieken.

Hoe "laten deze microben ons weten" over de aanwezigheid van een gevaarlijk zwaar metaal in het water?

Het antwoord is dat bacteriële genomen reageren op verontreinigingen op manieren die mensen hebben leren herkennen.

"We hebben toegang tot de levenscode die ons omringt, " zei Grégoire Thouvenin, een UC San Diego bio-engineering Ph.D. student en een andere van de co-eerste auteurs op de PNAS papier. "Als je microben bestudeert, je graaft dieper en je realiseert je dat ze meer met al het andere verbonden zijn dan je aanvankelijk dacht."

In dit geval, het benutten van deze verbindingen vereiste onderzoekers uit vele velden, waaronder bio-engineering, Synthetische biologie, microfluïdica, wiskunde en data science om de krachten te bundelen. Het resultaat is een systeem dat twee weken lang water bewaakt en herkent wanneer verontreinigingen in het water het genetische gedrag van 2, 000 verschillende bacteriestammen.

E. coli hotel

In dit door bacteriën aangedreven watertestsysteem, elke bacteriestam leeft in zijn eigen kleine kamer, en alle 2, 000 stammen zijn opgesteld in dezelfde chip gemaakt van een hard doorschijnend materiaal. Er zijn kleine kanaaltjes die water leveren, verontreinigingen en voedsel gecontroleerd naar elk van de kamers.

deze 2, Bij 000 bacteriestammen is elk een stukje genetisch materiaal ingebracht in een klein cirkelvormig stukje van het DNA (een plasmide) dat een fluorescentie-output mogelijk maakt om de activiteit van een specifiek gen te "belichten". Wanneer een waterverontreiniging interageert met het ingevoegde gen, de bacteriën lichten op.

Met hun microfluïdische setup, de onderzoekers kunnen vastleggen welke soorten wanneer oplichten. Dit knipperpatroon wordt geregistreerd en ingevoerd in een kunstmatige-intelligentiesysteem. Het resultaat is een geautomatiseerd vermogen om te identificeren wanneer de bacteriën specifieke verontreinigingen met zware metalen in het water tegenkomen, gebaseerd op het lichtpatroon dat door de bacteriën wordt geproduceerd. Bio-engineering Ph.D. student Garrett Graham leidde de datawetenschap en kunstmatige intelligentie van het project. (Hij is afgestudeerd en werkt als klimaatdata-analist bij het North Carolina Institute for Climate Studies.)

Het idee is dat de systemen worden geïnstalleerd op plaatsen waar mensen daadwerkelijk water drinken, om verontreinigd water op te sporen.

Terwijl de onderzoekers kozen voor identificatie van zware metalen om de kracht en flexibiliteit van hun systeem aan te tonen, de kunstmatige intelligentiecomponenten ervan kunnen worden getraind om ook andere verontreinigingen te identificeren.

De kunst en wetenschap van het maken

Een van de grote vooruitgangen voor dit project was het uitzoeken hoe te ontwerpen, bouwen en uitvoeren van het systeem voor het invoegen, huisvesting, voeden en bijhouden van de 2, 000 verschillende bacteriestammen in de loop van twee weken.

Lizzy Stasiowski en Nick Csicsery leidden het ontwerp en de fabricage van het systeem dat alle 2, 000 E. coli-stammen die in één keer in het systeem moeten worden geladen.

Dit project bracht de kunst en wetenschap van het "maken" samen met synthetische biologie, genomische analyse en machine learning, om een ​​systeem te creëren dat klaar is om goed te doen in de wereld.

"Een van mijn favoriete dingen aan dit project is hoe veelzijdig het kan zijn. Ons systeem stelt je in staat om dynamische veranderingen in genexpressie voor duizenden bacteriestammen tegelijkertijd te volgen voor elke verandering in het milieu. Het is een project dat relevant is voor zowel de industrie als de academische wereld, ' zei Stasiowski.

Ze heeft onlangs haar bio-engineering Ph.D. aan UC San Diego en is een Vertex Pharmaceuticals Fellow in San Diego die werkt aan onderzoek en ontwikkeling van instrumentatie.

"Hoewel ik de focus op zware metalen interessant vind in termen van een zorgvuldige proof of concept, Ik ben het meest enthousiast over de technologie als screeningsinstrument voor onderzoekers en bedrijven die zich richten op synthetische biologie, " zei Jeff Hasty, een professor in bio-engineering en biologie aan de UC San Diego die de hoofdauteur is van de PNAS-paper. "De technologie is goed gepositioneerd voor de ontdekking van genen die reageren op complexe signalen die worden gevonden in milieu- en medische toepassingen."

Gebruikt als screeningsinstrument, de unieke combinatie van microfluïdica en kunstmatige intelligentie van het platform zou kunnen helpen nieuw licht te werpen op de mechanismen die cellen in staat stellen om veranderende omgevingen te interpreteren en erop te reageren, en het testen van synthetische stammen mogelijk te maken die zijn ontworpen om op nieuwe manieren met de omgeving in wisselwerking te staan. Bestaande screeningtechnieken hebben zelden zowel de temporele resolutie als de doorvoer die daarvoor nodig is. Het platform heeft dus de potentie om van grote waarde te zijn voor zowel synthetisch biologen (die nieuwe functies in levende cellen ontwerpen en implementeren) als systeembiologen (die uitgebreide modellen bouwen van alle reacties die in een cel plaatsvinden).

Thouvenin werd wat filosofischer. "Levende dingen om ons heen zijn kneedbaar en ze zijn prachtig gevormd en gemaakt door evolutie gedurende miljoenen jaren. En nu hebben we daar toegang toe, zowel in termen van begrijpen, het opnieuw gebruiken, en uiteindelijk optimaliseren voor een veranderende wereld."