Geneticky modifikované bakterie vysílají signály detekovatelné na dálku

Vědci z MIT vyvinuli novou metodu, která umožňuje detekci signálů z geneticky modifikovaných bakterií na vzdálenost až 90 metrů. Tyto bakterie, které lze navrhnout k detekci znečišťujících látek nebo živin v půdě, by mohly sloužit jako senzory pro zemědělce při monitorování plodin.

Dosavadní metody detekce signálů z geneticky modifikovaných bakterií vyžadovaly mikroskopické pozorování buněk, což omezovalo jejich praktické využití ve velkém měřítku. Nový přístup však využívá produkci molekul generujících unikátní kombinace barev, které lze detekovat pomocí hyperspektrálních kamer.

„Je to nový způsob, jak získat informace z buňky. Pokud stojíte vedle ní, nic nevidíte pouhým okem, ale ze stovek metrů, pomocí speciálních kamer, můžete získat informace, když se aktivuje,“ říká Christopher Voigt, vedoucí Katedry biologického inženýrství MIT a hlavní autor nové studie, publikované v časopise Nature Biotechnology.

Výzkumníci geneticky upravili dva různé typy bakterií k produkci molekul vyzařujících specifické vlnové délky světla ve viditelném a infračerveném spektru, které lze zobrazovat hyperspektrálními kamerami. Tyto reportující molekuly byly spojeny s genetickými obvody, které detekují bakterie v okolí, ale tento přístup lze kombinovat s jakýmkoli existujícím senzorem, například pro detekci arzenu nebo jiných kontaminantů.

„Skvělé na této technologii je, že si můžete vybrat, jaký senzor chcete použít,“ říká Yonatan Chemla, postdoktorand MIT a jeden z hlavních autorů studie. „Neexistuje žádný důvod, proč by jakýkoli senzor nebyl s touto technologií kompatibilní.“

Hyperspektrální zobrazování

Hyperspektrální kamery, vynalezené v 70. letech, dokáží určit, kolik světla každé vlnové délky je přítomno v každém pixelu. Namísto zobrazení pouze jako červené nebo zelené obsahuje každý pixel informace o stovkách různých vlnových délek světla. V současnosti se hyperspektrální kamery používají například k detekci radiace nebo k hledání známek podvýživy nebo napadení patogeny u rostlin. Tato práce inspirovala tým MIT k prozkoumání možnosti genetické modifikace bakterií k produkci hyperspektrálních reportérů při detekci cílové molekuly.

Výzkumníci provedli kvantové výpočty k předpovědi hyperspektrálních signatur asi 20 000 přirozeně se vyskytujících buněčných molekul, což jim umožnilo identifikovat ty s nejvíce unikátními vzory emisí světla. V této studii identifikovali dvě různé molekuly, které byly nejvhodnější pro dva typy bakterií: biliverdin pro Pseudomonas putida a typ bakteriochlorofylu pro Rubrivivax gelatinosus.

Dálkový průzkum

V této studii výzkumníci spojili hyperspektrální reportéry s obvody navrženými pro quorum sensing (detekce hustoty populace bakterií). Testování probíhalo v uzavřených boxech umístěných v polích, pouštích nebo na střechách budov, přičemž signály byly detekovány pomocí hyperspektrálních kamer namontovaných na dronech. V této studii dosáhli maximální vzdálenosti 90 metrů, ale pracují na jejím prodloužení.

Před nasazením by senzory musely projít schvalovacím procesem EPA (Environmental Protection Agency) a USDA (U.S. Department of Agriculture). Potenciální aplikace zahrnují zemědělství (detekce dusíku nebo živin v půdě) a detekci min.