Una forma más segura de desplegar bacterias como sensores ambientales | Noticias del MIT



En los últimos años, los científicos han desarrollado muchas cepas modificadas de bacterias que pueden usarse como sensores para detectar contaminantes ambientales como metales pesados. Si se implementan en el entorno natural, estos sensores podrían ayudar a los científicos a rastrear cambios en los niveles de contaminantes a lo largo del tiempo, en una gran área geográfica.

Los ingenieros del MIT ahora han ideado una forma de hacer que este tipo de implementación sea más segura, al encerrar los sensores bacterianos en una capa de hidrogel resistente que evita que escapen al medio ambiente y potencialmente transmitan genes alterados a otros organismos.

"En este momento, se están desarrollando muchos biosensores de células completas, pero su aplicación en el mundo real es un desafío porque no queremos que los organismos modificados genéticamente puedan intercambiar material genético con microbios de tipo salvaje", dice el estudiante graduado del MIT, Tzu. -Chieh Tang, uno de los autores principales del nuevo estudio.

Tang y sus colegas han demostrado que pueden integrar E. coli en esferas de hidrogel, lo que les permite detectar los contaminantes que buscan mientras permanecen aislados de otros organismos. Las carcasas también ayudan a proteger los sensores del daño ambiental.

Timothy Lu, profesor asociado del MIT de Ingeniería Eléctrica e Informática e Ingeniería Biológica, y Xuanhe Zhao, profesor del MIT de Ingeniería Mecánica y Civil y Ambiental, son los autores principales del estudio, que aparece hoy; hui in Biología química de la naturaleza. Junto con Tang, Eleonore Tham PhD '18 y la estudiante graduada del MIT Xinyue Liu también son los autores principales de este artículo.

Confinamiento físico

Al diseñar bacterias para expresar circuitos genéticos que normalmente no tienen, los investigadores pueden permitirles detectar una variedad de moléculas diferentes. A menudo, el circuito está diseñado para que la detección del objetivo desencadene la producción de proteína verde fluorescente o bioluminiscencia. En otros circuitos, se registra un recuerdo del evento en el ADN de las células.

Los circuitos genéticos que ingresan a estas bacterias a menudo incluyen genes de resistencia a los antibióticos, lo que permite a los investigadores asegurarse de que su circuito genético se haya insertado correctamente en las células bacterianas. Sin embargo, estos genes podrían ser dañinos si se liberan al medio ambiente. Muchas bacterias y otros microbios pueden intercambiar genes, incluso entre diferentes especies, mediante un proceso llamado transferencia horizontal de genes.

En un intento por prevenir este tipo de intercambio de genes, los investigadores utilizaron una estrategia llamada "contención química", que consiste en diseñar los sensores bacterianos para que necesiten una molécula artificial que no pueden obtener en la naturaleza. Sin embargo, en una población muy grande de bacterias, existe la posibilidad de que una pequeña cantidad adquiera mutaciones que les permitan sobrevivir sin esta molécula.

Otra opción es la contención física, que se logra al encapsular las bacterias en un dispositivo que evita que escapen. Sin embargo, los materiales que se han probado hasta ahora, como el plástico y el vidrio, no funcionan bien porque forman barreras de difusión que impiden que las bacterias interactúen con las moléculas que se supone que deben detectar.

En este estudio, los investigadores decidieron intentar encapsular sensores bacterianos en hidrogeles. Estos son materiales estirables que se pueden formar a partir de una variedad de bloques de construcción diferentes. Muchos hidrogeles naturales, como el alginato, que se deriva de las algas, son demasiado frágiles para proteger las células en un entorno externo. Sin embargo, el laboratorio de Zhao ya ha desarrollado hidrogeles muy fuertes y expandibles, que según los investigadores pueden ser adecuados para encapsular bacterias.

Para hacer las esferas protectoras, los investigadores primero incorporaron bacterias en el alginato, junto con algunos nutrientes esenciales. Luego, estas esferas se recubrieron con uno de los resistentes hidrogeles de Zhao, que está hecho de una combinación de alginato y poliacrilamida. Esta capa exterior tiene poros que varían de 5 a 50 nanómetros de diámetro, lo que permite el paso de moléculas como azúcares o metales pesados. Sin embargo, el ADN y las proteínas más grandes no pueden pasar.

Detecta la contaminación

Las esferas que los investigadores construyeron para este estudio miden aproximadamente 5 milímetros de diámetro y pueden transportar hasta mil millones de células bacterianas. Los investigadores utilizaron las esferas para encapsular E. coli bacterias diseñadas para detectar cadmio, un metal pesado.

Para probar los sensores, los investigadores los colocaron en muestras de agua tomadas del río Charles. Para determinar si los sensores podían detectar contaminantes dentro de sus esferas, los investigadores agregaron cadmio a las muestras y encontraron que las bacterias podían detectarlo con precisión. Los investigadores también demostraron que las bacterias no escaparon de la esfera ni filtraron ningún material genético.

Los investigadores demostraron que su técnica de encapsulación también funcionaba con una cepa diferente de E. coli que fue diseñado para depender de una molécula artificial, un aminoácido que no se encuentra en la naturaleza.

“Estamos tratando de encontrar una solución para ver si podemos combinar la contención química y física. De esa manera, si uno de ellos falla, el otro puede mantener las cosas bajo control ”, dice Tang.

En estudios futuros, los investigadores esperan probar los sensores en un entorno de modelo que simule condiciones reales. Además de detectar contaminantes ambientales, este tipo de sensor podría potencialmente usarse para aplicaciones médicas como detectar sangrado en el tracto digestivo, según los investigadores.

Otros autores del artículo incluyen a Kevin Yehl, un ex postdoctorado del MIT; Alexis Rovner, ex becario postdoctoral de la Facultad de Medicina de Harvard; Hyunwoo Yuk, estudiante de posgrado del MIT; César de la Fuente-Núñez, ex becario postdoctoral del MIT y profesor asistente de bioingeniería en la Universidad de Pennsylvania; y Farren Isaacs, profesor asociado de biología molecular, celular y del desarrollo en la Facultad de Medicina de Yale.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. A través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT y Abdul Latif Jameel Water and Food. Beca de posgrado en laboratorio de sistemas (J-WAFS).

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