Een gen "genie", ontwikkeld door wetenschappers van Rice University, geeft onderzoekers waardevolle gegevens over microben door middel van gaswolken uit de bodem. De nieuwste versie is een robuuste tweetraps microbiële sensor die bio-ingenieurs zal helpen, geobiologen en andere onderzoekers observeren genexpressie en de biologische beschikbaarheid van voedingsstoffen in laboratoriumfacsimile's van omgevingen zoals bodem en sedimenten zonder ze te verstoren.

Het gas wordt geproduceerd door microben die genetisch zijn gemanipuleerd om verslag uit te brengen over zowel hun omgeving als hun activiteit, en gemengd in bodemmonsters in ingeperkte laboratoriumexperimenten. Eén gas dat naar buiten sijpelt, vertelt onderzoekers hoeveel van de doelmicroben aanwezig zijn en een tweede gas vertelt onderzoekers wat de microben aan het doen zijn. Eventueel, het Rice-team wil dat de geprogrammeerde microben onthullen of en hoe ze met elkaar communiceren.

Details over de sensoren verschijnen in het tijdschrift American Chemical Society ACS synthetische biologie .

Het lopende onderzoek begon in 2015 met een subsidie ​​van $ 1 miljoen door de W.M. Keck Foundation en wordt geleid door Rice synthetisch bioloog Jonathan Silberg, biogeochemicus Caroline Masiello en afgestudeerde student en hoofdauteur Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Hun doel was om de bioactiviteit in ondoorzichtige omgevingen te meten, vooral die waar het veranderen van de omgeving de resultaten zou veranderen.

Silberg zei dat de nieuwe gas-emitterende microben volgens hetzelfde principe werken als die met twee fluorescerende eiwitten; bijvoorbeeld, een groen-fluorescerend eiwit zou alle cellen in een schaaltje labelen en een rood zou oplichten als het wordt geactiveerd door een microbiële activiteit, zoals eiwitexpressie of nabijheid van een specifiek molecuul.

"In die systemen je kunt de verhouding tussen groen en rood controleren en weten, gemiddeld, wat de cellen doen, " zei hij. "Maar dat werkt niet in de bodem."

Momenteel, onderzoekers meten microbiële activiteit in de bodem door monsters te malen en processen zoals high-performance vloeistofchromatografie te gebruiken om hun inhoud te kwantificeren. Dat elimineert niet alleen de mogelijkheid om hetzelfde monster in de loop van de tijd te bestuderen, het beperkt ook de reikwijdte van de gegevens.

"Ons systeem geeft antwoord op de juiste vraag, "Zei Masiello. "Weten microben dat deze verbindingen aanwezig zijn, en wat doen ze in reactie daarop?"

In het ratio-metrisch systeem van het Rice lab, gassen die uit gemodificeerde E coli of andere microben kunnen wetenschappers helpen de bodemontwikkeling te meten. Ratiometrisch betekent dat de output van gas recht evenredig is met de input, in dit geval het activiteitsniveau dat de microbe waarneemt.

In een proef, E coli werd gemodificeerd om enzymen tot expressie te brengen die ethyleen en broommethaan synthetiseren. De bacterie maakte continu ethyleen aan, waarmee de onderzoekers de grootte van de microbenpopulatie konden volgen, maar maakte alleen broommethaan wanneer getriggerd door, in dit geval, de biologische beschikbaarheid van acylhomoserinelactonen (AHL), moleculen die de signalering tussen bacteriën vergemakkelijken.

Nadat Cheng de E coli in landbouwgrond en stel de temperatuur in om de gassignalen te maximaliseren, ze ontdekte dat het toevoegen van AHL met korte en lange ketens geen invloed had op de ethyleenproductie, maar wel op broommethaan. De hoogste concentratie AHL met korte keten verhoogde het broommethaansignaal met meer dan een orde van grootte, en lange-keten AHL bijna twee ordes van grootte.

Tests met een andere bacterie, Shewanella, waarvan de oorspronkelijke habitat een sediment is, toonde vergelijkbare robuuste resultaten. "Het dynamische bereik voor het detecteren van chemicaliën met wat Shelly heeft gebouwd, is erg goed, Silberg zei. "Het zal variëren met het organisme, maar synthetische biologie gaat echt over het afstemmen van dat alles."

"Het bijzonder nuttige aspect van dit werk is het potentieel om onderscheid te maken tussen wat chemisch extraheerbaar is in een zee- of bodemomgeving en wat een microbe waarneemt dat er is, "Zei Masiello. "Het is niet omdat we een grond kunnen vermalen en iets kunnen meten, dat planten of microben weten wat er is. Deze tools zijn wat we nodig hebben om te kunnen, Voor de eerste keer, microbiële perceptie van hun omgeving te meten."

De gemodificeerde microben zijn bedoeld om te worden gebruikt voor laboratoriumtests en niet in het wild. Maar tests zouden veel sneller zijn dan de huidige processen en laboratoria in staat stellen om een ​​monster in de loop van de tijd continu te controleren. De onderzoekers anticiperen niet alleen op toepassingen in synthetische biologie en milieuwetenschappen, maar ook voor het volgen van het lot van darmbacteriën in de omgeving die worden ontwikkeld voor diagnostiek en therapie.

Vooruit gaan, het Rice-lab is van plan zijn inspanningen te concentreren op het voorwaardelijke uitvoergedeelte van de sensor. "Terwijl we dit aan het bouwen zijn, mensen zoals (rijstbiowetenschapper) Jeff Tabor en anderen standaardiseren de sensormodules, Silberg zei. "We bouwen nieuwe outputmodules die je dan zou kunnen koppelen aan de grote diversiteit aan sensoren die ze bouwen.

"Shelly heeft echt het voortouw genomen om te bewijzen dat we gasrapportage kunnen doen, en zij was de eerste die het in de grond deed, "zei hij. "Ze liet toen zien dat we het konden doen met horizontale genoverdracht als onderdeel van onze proof of concept, en nu dit. De tools komen er gewoon aan, en ik denk dat toepassingen de volgende zullen zijn."