På senare år har forskare har utvecklat många stammar av konstruerade bakterier som kan användas som sensorer för att upptäcka miljöföroreningar som tungmetaller. Om den används i den naturliga miljön, dessa sensorer kan hjälpa forskare att spåra hur föroreningsnivåerna förändras över tiden, över ett brett geografiskt område.

MIT-ingenjörer har nu utarbetat ett sätt att göra den här typen av driftsättning säkrare, genom att innesluta bakteriesensorer i ett tufft hydrogelskal som hindrar dem från att fly ut i miljön och potentiellt sprida modifierade gener till andra organismer.

"Just nu finns det många helcellsbiosensorer som utvecklas, men att tillämpa dem i den verkliga världen är en utmaning eftersom vi inte vill att några genetiskt modifierade organismer ska kunna utbyta genetiskt material med vildtypsmikrober, " säger MIT doktorand Tzu-Chieh Tang, en av huvudförfattarna till den nya studien.

Tang och hans kollegor visade att de kunde bädda in E. coli i hydrogelsfärer, så att de kan upptäcka de föroreningar de letar efter medan de förblir isolerade från andra organismer. Skalen hjälper också till att skydda sensorerna från miljöskador.

Timothy Lu, en MIT docent i elektroteknik och datavetenskap och i biologisk teknik, och Xuanhe Zhao, en MIT-professor i maskinteknik och civil- och miljöteknik, är seniorförfattarna till studien, som visas idag i Naturens kemiska biologi . Tillsammans med Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 och MIT-studenten Xinyue Liu är också huvudförfattare till tidningen.

Fysisk inneslutning

Genom att konstruera bakterier för att uttrycka genetiska kretsar som de normalt inte har, forskare kan göra det möjligt för dem att upptäcka en mängd olika molekyler. Ofta, kretsarna är utformade så att detektering av målet utlöser produktion av grönt fluorescerande protein eller bioluminescens. I andra kretsar, ett minne av händelsen registreras i cellernas DNA.

De genetiska kretsarna som går in i dessa bakterier inkluderar ofta gener för antibiotikaresistens, vilket gör det möjligt för forskarna att säkerställa att deras genetiska krets har satts in korrekt i bakteriecellerna. Dock, dessa gener kan vara skadliga om de släpps ut i miljön. Många bakterier och andra mikrober kan utbyta gener, även mellan olika arter, med hjälp av en process som kallas horisontell genöverföring.

För att försöka förhindra denna typ av genutbyte, forskare har använt en strategi som kallas "kemisk inneslutning, " vilket innebär att designa bakteriesensorerna så att de kräver en artificiell molekyl som de inte kan få i det vilda. i en mycket stor population av bakterier, det finns en chans att ett litet antal kommer att förvärva mutationer som gör att de kan överleva utan den molekylen.

Ett annat alternativ är fysisk inneslutning, uppnås genom att inkapsla bakterier i en anordning som hindrar dem från att fly. Dock, de material som har prövats hittills, som plast och glas, fungerar inte bra eftersom de bildar diffusionsbarriärer som hindrar bakterier från att interagera med molekylerna de är designade för att upptäcka.

I den här studien, forskarna bestämde sig för att försöka kapsla in bakteriesensorer i hydrogeler. Dessa är stretchiga material som kan formas av en mängd olika byggstenar. Många naturligt förekommande hydrogeler, som alginat, som kommer från alger, är för ömtåliga för att skydda celler i en utomhusmiljö. Dock, Zhaos labb har tidigare utvecklat några mycket tuffa, stretchiga hydrogeler, som forskarna trodde kunde vara lämpliga för att kapsla in bakterier.

För att göra skyddssfärerna, forskarna bäddade först in bakterier i alginat, tillsammans med några viktiga näringsämnen. Dessa sfärer belades sedan med en av Zhaos sega hydrogeler, som är gjord av en kombination av alginat och polyakrylamid. Detta yttre skikt har porer som sträcker sig från 5 till 50 nanometer i diameter, som tillåter molekyler som sockerarter eller tungmetaller att passera igenom. Dock, DNA och större proteiner kan inte gå igenom.

Upptäcker föroreningar

Sfärerna som forskarna konstruerade för denna studie är cirka 5 millimeter i diameter och kan bära upp till 1 miljard bakterieceller. Forskarna använde sfärerna för att kapsla in E. coli-bakterier som var designade för att detektera kadmium, en tung metall.

För att testa sensorerna, forskarna placerade dem i vattenprover som samlats in från Charles River. För att avgöra om sensorerna kunde upptäcka föroreningar inifrån deras sfärer, forskarna tillsatte kadmium till proverna och fann att bakterierna kunde upptäcka det exakt. Forskarna visade också att bakterierna inte flydde från sfären eller läckte något genetiskt material.

Forskarna visade att deras inkapslingsteknik också fungerade med en annan stam av E. coli som var konstruerad för att vara beroende av en konstgjord molekyl - en aminosyra som inte finns i naturen.

"Vi försöker komma på en lösning för att se om vi kan kombinera kemisk och fysisk inneslutning. På så sätt, om någon av dem misslyckades, den andra kan hålla saker i schack, " säger Tang.

I framtida studier, forskarna hoppas kunna testa sensorerna i en modellmiljö som skulle simulera verkliga förhållanden. Förutom att upptäcka miljöföroreningar, denna typ av sensor kan potentiellt användas för medicinska tillämpningar som att upptäcka blödningar i matsmältningskanalen, säger forskarna.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.