In recente jaren, wetenschappers hebben veel stammen van gemanipuleerde bacteriën ontwikkeld die kunnen worden gebruikt als sensoren om milieuverontreinigingen zoals zware metalen te detecteren. Indien ingezet in de natuurlijke omgeving, deze sensoren kunnen wetenschappers helpen te volgen hoe de niveaus van verontreinigende stoffen in de loop van de tijd veranderen, over een groot geografisch gebied.

MIT-ingenieurs hebben nu een manier bedacht om dit soort implementatie veiliger te maken, door bacteriële sensoren te omhullen in een stevige hydrogelschaal die voorkomt dat ze in de omgeving ontsnappen en mogelijk gemodificeerde genen naar andere organismen verspreiden.

"Op dit moment worden er veel biosensoren voor hele cellen ontwikkeld, maar ze in de echte wereld toepassen is een uitdaging omdat we niet willen dat genetisch gemodificeerde organismen genetisch materiaal kunnen uitwisselen met wildtype microben, ", zegt MIT-afgestudeerde student Tzu-Chieh Tang, een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie.

Tang en zijn collega's toonden aan dat ze E. coli konden inbedden in hydrogelbolletjes, waardoor ze de verontreinigingen kunnen detecteren waarnaar ze op zoek zijn, terwijl ze geïsoleerd blijven van andere organismen. De schalen helpen ook om de sensoren te beschermen tegen milieuschade.

Timoteüs Lu, een MIT universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en biologische engineering, en Xuanhe Zhao, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek, zijn de senior auteurs van de studie, die vandaag verschijnt in Natuur Chemische Biologie . Samen met Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 en MIT-afgestudeerde student Xinyue Liu zijn ook hoofdauteurs van het artikel.

Fysieke insluiting

Door bacteriën te manipuleren om genetische circuits tot expressie te brengen die ze normaal niet hebben, onderzoekers kunnen hen in staat stellen om een ​​verscheidenheid aan verschillende moleculen te detecteren. Vaak, de circuits zijn zo ontworpen dat detectie van het doelwit de productie van groen fluorescerend eiwit of bioluminescentie activeert. In andere kringen, een herinnering aan de gebeurtenis wordt vastgelegd in het DNA van de cellen.

De genetische circuits die in deze bacteriën gaan, bevatten vaak genen voor antibioticaresistentie, waarmee de onderzoekers ervoor kunnen zorgen dat hun genetische circuit correct in de bacteriecellen is ingebracht. Echter, die genen kunnen schadelijk zijn als ze in het milieu terechtkomen. Veel bacteriën en andere microben kunnen genen uitwisselen, zelfs tussen verschillende soorten, met behulp van een proces dat horizontale genoverdracht wordt genoemd.

Om dit soort genuitwisseling te voorkomen, onderzoekers hebben een strategie gebruikt die "chemische inperking, " wat inhoudt dat de bacteriële sensoren worden ontworpen zodat ze een kunstmatig molecuul nodig hebben dat ze niet in het wild kunnen krijgen. in een zeer grote populatie bacteriën, er is een kans dat een klein aantal mutaties krijgt waardoor ze zonder dat molecuul kunnen overleven.

Een andere optie is fysieke insluiting, bereikt door bacteriën in te kapselen in een apparaat dat voorkomt dat ze ontsnappen. Echter, de materialen die tot nu toe zijn uitgeprobeerd, zoals kunststof en glas, werken niet goed omdat ze diffusiebarrières vormen die voorkomen dat bacteriën interageren met de moleculen die ze moeten detecteren.

In dit onderzoek, de onderzoekers besloten om bacteriële sensoren in hydrogels in te kapselen. Dit zijn rekbare materialen die kunnen worden gevormd uit verschillende bouwstenen. Veel natuurlijk voorkomende hydrogels, zoals alginaat, die is afgeleid van algen, zijn te kwetsbaar om cellen in een buitenomgeving te beschermen. Echter, Zhao's lab heeft eerder een aantal zeer taaie, rekbare hydrogels, waarvan de onderzoekers dachten dat ze geschikt zouden kunnen zijn voor het inkapselen van bacteriën.

Om de beschermende bollen te maken, de onderzoekers hebben eerst bacteriën in alginaat ingebed, samen met enkele essentiële voedingsstoffen. Deze bollen werden vervolgens gecoat met een van Zhao's taaie hydrogels, die is gemaakt van een combinatie van alginaat en polyacrylamide. Deze externe laag heeft poriën met een diameter van 5 tot 50 nanometer, waardoor moleculen zoals suikers of zware metalen kunnen passeren. Echter, DNA en grotere eiwitten kunnen er niet doorheen.

Vervuiling detecteren

De bollen die de onderzoekers voor dit onderzoek construeerden, hebben een diameter van ongeveer 5 millimeter en kunnen tot 1 miljard bacteriecellen dragen. De onderzoekers gebruikten de bollen om E. coli-bacteriën in te kapselen die waren ontworpen om cadmium te detecteren, een zwaar metaal.

Om de sensoren te testen, de onderzoekers plaatsten ze in watermonsters die waren verzameld uit de Charles River. Om te bepalen of de sensoren verontreinigende stoffen uit hun bollen konden detecteren, de onderzoekers voegden cadmium toe aan de monsters en ontdekten dat de bacteriën het nauwkeurig konden detecteren. De onderzoekers toonden ook aan dat de bacteriën niet uit de bol ontsnapten of genetisch materiaal lekten.

De onderzoekers toonden aan dat hun inkapselingstechniek ook werkte met een andere stam van E. coli die was ontworpen om afhankelijk te zijn van een kunstmatig molecuul - een aminozuur dat niet in de natuur voorkomt.

"We proberen een oplossing te bedenken om te kijken of we chemische en fysische inperking kunnen combineren. Op die manier kunnen we als een van beide mislukt, de ander kan de boel onder controle houden, ' zegt Tang.

In toekomstige studies, de onderzoekers hopen de sensoren te testen in een modelomgeving die reële omstandigheden zou simuleren. Naast het detecteren van milieuverontreinigingen, dit type sensor kan mogelijk worden gebruikt voor medische toepassingen zoals het detecteren van bloedingen in het spijsverteringskanaal, zeggen de onderzoekers.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.