En robust tvåstegs mikrobiell sensor utvecklad vid Rice University kommer att hjälpa forskare att observera genuttryck och biotillgängligheten av näringsämnen i miljöer som jord och sediment utan att störa dem. Istället för att fluorescera, som nuvarande biosensorer, dessa släpper ut gas för att rapportera om deras värdmikrobers närvaro och aktivitet. Kredit:Ilenne Del Valle/Rice University
En gen "genie" utvecklad av Rice University forskare ger forskare värdefull information om mikrober genom gaspuffar från jorden. Den senaste versionen är en robust tvåstegs mikrobiell sensor som kommer att hjälpa bioingenjörer, geobiologer och andra forskare observerar genuttryck och biotillgängligheten av näringsämnen i laboratoriefaksimiler i miljöer som jord och sediment utan att störa dem.
Gasen produceras av mikrober som är genetiskt modifierade för att rapportera om både sin miljö och aktivitet och blandas in i jordprover i inneslutna laboratorieexperiment. En gas som sipprar ut berättar för forskarna hur många av målmikroberna som finns och en andra gas berättar forskarna vad mikroberna gör. Så småningom, Rice-teamet vill att de programmerade mikroberna ska avslöja om och hur de kommunicerar med varandra.
Detaljer om sensorerna visas i tidskriften American Chemical Society ACS syntetisk biologi .
Den pågående forskningen började 2015 med ett anslag på 1 miljon dollar från W.M. Keck Foundation och leds av Rice syntetisk biolog Jonathan Silberg, biogeokemisten Caroline Masiello och doktorand och huvudförfattare Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Deras mål har varit att mäta bioaktivitet i ogenomskinliga miljöer, särskilt de där förändringar av miljön skulle förändra resultaten.
Silberg sa att de nya gasemitterande mikroberna fungerar på samma princip som de som innehåller två fluorescerande proteiner; till exempel, ett grönt fluorescerande protein skulle märka alla celler i en skål och ett rött skulle tändas när det triggades av en mikrobiell aktivitet, som proteinuttryck eller närhet till en specifik molekyl.
"I dessa system, du kan kontrollera förhållandet mellan grönt och rött och veta, i genomsnitt, vad cellerna gör, sa han. Men det fungerar inte i jordar.
För närvarande, forskare mäter mikrobiell aktivitet i jord genom att mala prover och använda processer som högpresterande vätskekromatografi för att kvantifiera deras innehåll. Det eliminerar inte bara möjligheten att studera samma prov över tid, det begränsar också omfattningen av uppgifterna.
"Vårt system svarar på rätt fråga, ", sa Masiello. "Vet mikrober att dessa föreningar finns, och vad gör de som svar på dem?"
De tvåstegsbiosensorer som utvecklats av Rice University-studenten Hsiao-Ying (Shelly) Cheng är programmerade att släppa ut gaspuffar för att rapportera om deras närvaro och aktivitetsnivåer i genetiskt modifierade bakterier som E. coli. De efterliknar funktionerna hos fluorescerande sensorer som forskare använder för att övervaka biologisk aktivitet, men i ogenomskinliga miljöer som jord. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
I Rice labs ratio-metriska system, gaser som kommer från modifierade E coli eller andra mikrober kan hjälpa forskare att mäta markutvecklingen. Ratiometrisk betyder att utmatningen av gas är direkt proportionell mot inmatningen, i detta fall aktivitetsnivån mikroben känner av.
I ett test, E coli modifierades för att uttrycka enzymer som syntetiserar eten och brommetan. Bakterien tillverkade kontinuerligt eten, vilket gjorde det möjligt för forskarna att övervaka storleken på mikrobpopulationen, men gjorde bara brommetan när den triggades av, I detta fall, biotillgängligheten av acylhomoserin laktoner (AHL), molekyler som underlättar signalering mellan bakterier.
Efter Cheng satte E coli i jordbruksjord och ställ in temperaturen för att maximera gassignalerna, hon fann att tillsats av kort- och långkedjig AHL inte påverkade etylenproduktionen utan dramatiskt påverkade brommetan. Den högsta koncentrationen av kortkedjig AHL ökade brommetansignalen mer än en storleksordning, och långkedjig AHL nästan två storleksordningar.
Tester med en annan bakterie, Shewanella, vars ursprungliga livsmiljö är ett sediment, visade liknande robusta resultat. "Den dynamiska omfånget för att känna av kemikalier med det som Shelly har byggt är mycket bra, " sa Silberg. "Det kommer att variera med organismen, men syntetisk biologi handlar egentligen om att ställa in allt det där."
Rice Universitys doktorand Hsiao-Ying (Shelly) Cheng ledde ett projekt för att utveckla tvåstegs mikrobiella sensorer som kan observera och rapportera om genuttryck och biotillgängligheten av näringsämnen i miljöer som jord och vätskor utan att störa dem. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Den särskilt användbara aspekten av detta arbete är potentialen att skilja mellan vad som är kemiskt extraherbart i en marin eller markmiljö och vad en mikrob uppfattar finns där, ", sa Masiello. "Bara för att vi kan mala upp en jord och mäta något betyder det inte att växter eller mikrober vet vad som finns där. Dessa verktyg är vad vi behöver för att kunna, för första gången, mäta mikrobiell uppfattning om sin miljö."
De modifierade mikroberna är avsedda att användas för laboratorietester och inte i naturen. Men tester skulle vara mycket snabbare än nuvarande processer och göra det möjligt för laboratorier att övervaka ett prov kontinuerligt över tiden. Forskarna förutser tillämpningar inte bara inom syntetisk biologi och miljövetenskap utan också för att spåra det miljömässiga ödet för tarmbakterier som utvecklas för diagnostik och terapi.
Går framåt, Rice lab har för avsikt att fokusera sin ansträngning på den villkorade utgångsdelen av sensorn. "När vi har byggt detta, människor som (Rice bioscientist) Jeff Tabor och andra standardiserar avkänningsmodulerna, ", sa Silberg. "Vi bygger nya utgångsmoduler som du sedan kan koppla till den stora mångfalden av sensorer de bygger.
"Shelly har verkligen lett vägen för att bevisa att vi kan göra gasrapportering, och hon var den första som gjorde det i jordar, " sa han. "Då visade hon att vi kunde göra det med horisontell genöverföring som en del av vårt proof of concept, och nu detta. Verktygen kommer bara dit, och jag tror att ansökningar blir nästa."
