Bakterije proizvedene inženjeringom emituju signale koji se mogu primetiti sa daljine

Ove bakterije, koje mogu biti dizajnirane za detekciju zagađanja ili nutrijenata, mogu funkcionisati kao senzori u cilju pomoći poljoprivrednicima da nadgledaju useve.

Bakterije mogu biti napravljene da detektuju razne molekule, kao što su zagađivači ili nutrijenti u tlu. U većini slučajeva, međutim, ovi signali se mogu detektovati samo putem posmatranja ćelija pod mikroskopom ili slično osetljivom laboratorijskom opremom, što nije praktično za upotrebu u velikim razmerama.

Preporučujemo

Putem novog metoda koji podstiče ćelije da proizvode molekule koji generišu specifične kombinacije boja, inženjeri iz Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) pokazali su da mogu opaziti ove bakterijske signale sa daljine od čak 90 metara. Njihov rad bi mogao dovesti do razvoja bakterijskih senzora za poljoprivredne i druge primene, što bi mogli nadgledati dronovi ili sateliti.

„To je nov način dobijanja informacija iz ćelije. Ako stojite pored nje, ne možete videti ništa golim okom, ali sa daljine od više desetina metara, putem specijalnih kamera, možete dobiti informacije kad se aktiviraju“, kaže načelnik Odeljenja za biološki inženjering.

Istraživači su pokazali da mogu da naprave dva tipa bakterija radi proizvodnje molekula koji emituju različite talasne dužine svetlosti širom vidljivog i infracrvenog spektra, što se može snimiti hiperspektralnim kamerama. Ti molekuli su povezani sa genetskim sklopovima koji detektuju obližnje bakterije, ali se ovaj pristup takođe može kombinovati sa bilo kojim postojećim senzorom, kao što su oni za arsen ili druge kontaminante. Nema razloga da bilo koji senzor ne bude kompatibilan sa ovom tehnologijom.

Hiperspektralno snimanje

Postoji više načina za inženjering bakterijskih ćelija tako da mogu da osete određenu hemikaliju. Većina funkcioniše putem povezivanja detekcije molekula sa proizvodom poput zelenog fluorescentnog proteina (GFP). To je vrlo dobro za laboratorijske studije, ali takvi senzori se ne mogu meriti sa velikih daljina.

Za opažanje sa velike daljine, istraživači su osmislili ćelije koje proizvode hiperspektralne obaveštajne molekule i koje se mogu detektovati hiperspektralnim kamerama. Te kamere, prvi put napravljene u 1970-im, mogu odrediti koliko je talasne dužine svake boje prisutno u datom pikselu. Umesto da se pokazuje kao prosto crven ili zelen, svaki piksel sadrži informacije o stotinama talasnih dužina svetlosti.

Trenutno se hiperspektralne kamere koriste u svrhe poput detekcije prisustva radijacije. U oblastima oko Černobilja, koriste se za merenje malih promena u boji koje radioaktivni metali proizvode u hlorofilu biljnih ćelija. Hiperspektralne kamere se takođe koriste za otkrivanje tragova pothranjenosti ili patogene invazije u biljkama.

To je inspirisalo istraživače da ispitaju da li mogu napraviti bakterijske ćelije koje proizvode hiperspektralne „reportere“ kad detektuju neki ciljani molekul.

Da bi hiperspektralni reporter bio najkorisniji, trebalo bi da ima spektralni potpis sa pikovima miltiplih talasnih dužina svetlosti, olakšavajući detekciju. Istraživači su izveli kvantne kalkulacije radi predviđanja hiperspektralnih potpisa oko 20.000 prirodno prisutnih ćelijskih molekula, što im je omogućilo da identifikuju one sa najspecifičnijim obrascima emisije svetlosti. Druga ključna odlika je broj enzima koje bi trebalo ugraditi u ćeliju da bi proizvela signal – što će varirati za različite tipove ćelija.

„Idealni molekul je različit od svega drugog, zbog čega se može detektovati i zahteva najmanji broj enzima za proizvodnju u ćeliji“, kažu istraživači.

U studiji su identifikovana dva molekula najprikladnija za dva tipa bakterija. Za bakteriju u tlu Pseudomonas putida, upotrebljen je reporter zvan biliverdin – pigment koji nastaje raspadom hema. Za akvatičnu bakteriju Rubrivivax gelatinosus, upotrebljen je tip bakteriohlorofila. Za bakterije su napravljeni enzimi potrebni za proizvodnju reportera u ćeliji domaćinu i zatim su povezani sa genetski konstruisanim senzorskim sklopovima.

„Možete dodati jednog od ovih reportera u bakteriju ili bilo koju ćeliju koja ima genetski kodirani senzor u svom genomu. Tako da bi mogla reagovati na metale ili radijaciju ili toksine u tlu, ili nutrijente u tlu, ili na šta god želite da reaguje. Rezultat bi bila proizvodnja molekula koji se može opaziti sa velike daljine“, kažu inženjeri.

Opažanje sa velike daljine

Istraživači su povezali hiperspektralne reportere sa sklopovima dizajniranim za takozvano „kvorum opažanje“, koji omogućavaju ćelijama da detektuju druge obližnje bakterije. Takođe su pokazali da ovi obaveštajni molekuli mogu da se povežu sa senzorima za hemikalije, uključujući arsen.

Prilikom testiranja senzora, istraživači su ih smestili u kutije kako bi ostali na mestu. Kutije su postavljene na polja, u pustinje ili na krovove zgrada, a ćelije su proizvodile signale koji su mogli biti detektovani hiperspektralnim kamerama postavljenim na dronove. Kamerama treba oko 20-30 sekundi da skeniraju vidno polje, a kompjuterski algoritmi onda analiziraju signale da bi se otkrilo da li su hiperspektralni reporteri prisutni.

U studiji je izvedeno snimanje sa maksimalne daljine od 90 metara, ali istraživači rade na povećanju distance.

Predviđaju da bi se ovi senzori mogli koristiti za poljovrivredne svrhe poput detektovanja nivoa azota ili nutrijenata u tlu. Za te primene, senzori bi mogli biti dizajnirani i za biljne ćelije. Detekcija mina je još jedna moguća primena ovog tipa senzora.

Pre upotrebe, senzore bi trebalo da odobre Agencija za zaštitu životne sredine i Ministarstvo poljoprivrede SAD.

„Protekle tri godine smo zauzeti razmatranjem šta su regulatorne perspektive, bezbednosne brige, rizici i koristi od ove vrste tehnologije“, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)