Bakterien, die zur Fernerkundung durch Farbsignaturen entwickelt wurden

Bakterien können so konstruiert werden, dass sie eine Vielzahl von Molekülen wie Schadstoffe oder Bodennährstoffe erfassen. In den meisten Fällen können diese Signale jedoch nur durch Betrachtung der Zellen unter einem Mikroskop oder einer ähnlich empfindlichen Laborausrüstung nachgewiesen werden, was sie für die Verwendung in großem Maßstab unpraktisch macht.

Mit einer neuen Methode, die Zellen auslöst, um Moleküle zu produzieren, die einzigartige Farbkombinationen erzeugen, haben MIT -Ingenieure gezeigt, dass sie diese bakteriellen Signale bis zu 90 Metern entfernt lesen können. Ihre Arbeit könnte zur Entwicklung von Bakteriensensoren für landwirtschaftliche und andere Anwendungen führen, die durch Drohnen oder Satelliten überwacht werden könnten.

Es ist eine neue Art, Informationen aus der Zelle zu holen. Wenn Sie daneben stehen, können Sie nichts mit dem Auge sehen, aber aus Hunderten von Metern entfernt können Sie die Informationen erhalten, wenn sie eingeschaltet sind. “

Christopher Voigt, Leiter der Abteilung für Biologische Ingenieurwesen des MIT und leitender Autor der neuen Studie

In einem Papier, das heute in erscheint in NaturbiotechnologieDie Forscher zeigten, dass sie zwei verschiedene Arten von Bakterien entwickeln konnten, um Moleküle zu produzieren, die unterscheidbaren Lichtwellenlängen über die sichtbaren und Infrarotspektren des Lichts leiten, die mit hyperspektralen Kameras abgebildet werden können. Diese meldenden Moleküle waren mit genetischen Schaltkreisen in Verbindung gebracht, die nahe gelegene Bakterien nachweisen, aber dieser Ansatz könnte auch mit einem vorhandenen Sensor kombiniert werden, z. B. für Arsen oder andere Verunreinigungen, sagen die Forscher.

„Das Schöne an dieser Technologie ist, dass Sie den Sensor anschließen und spielen können, den Sie wollen“, sagt Yonatan Chemla, ein MIT -Postdoc, der einer der Hauptautoren des Papiers ist. „Es gibt keinen Grund, warum ein Sensor nicht mit dieser Technologie kompatibel wäre.“

Itai Levin PhD ’24 ist auch ein Hauptautor des Papiers. Weitere Autoren sind ehemalige Studenten Yueyang Fan ’23 und Anna Johnson ’22 sowie Connor Coley, Associate Professor für Chemieingenieurwesen am MIT.

Hyperspektrale Bildgebung

Es gibt viele Möglichkeiten, Bakterienzellen zu entwickeln, damit sie eine bestimmte Chemikalie spüren können. Der größte Teil dieser Arbeiten, indem er den Nachweis eines Moleküls mit einem Ausgang wie grün fluoreszierendem Protein (GFP) verbindet. Diese funktionieren gut für Laborstudien, aber solche Sensoren können nicht aus großen Entfernungen gemessen werden.

Für die Fernerkundung von Langstöcken kam das MIT-Team auf die Idee, Zellen zu konstruieren, um hyperspektrale Reportermoleküle zu produzieren, die unter Verwendung hyperspektraler Kameras nachgewiesen werden können. Diese Kameras, die erstmals in den 1970er Jahren erfunden wurden, können bestimmen, wie viel von jeder Farbwellenlänge in einem bestimmten Pixel vorhanden ist. Anstatt einfach als rot oder grün zu sein, enthält jedes Pixel Informationen zu Hunderten unterschiedlicher Lichtwellenlänge.

Derzeit werden hyperspektrale Kameras für Anwendungen wie das Erkennen des Vorhandenseins von Strahlung verwendet. In den Bereichen um Tschernobyl wurden diese Kameras verwendet, um geringfügige Farbänderungen zu messen, die radioaktive Metalle im Chlorophyll von Pflanzenzellen produzieren. Hyperspektrale Kameras werden auch verwendet, um nach Anzeichen von Unterernährung oder Erregerinvasion in Pflanzen zu suchen.

Diese Arbeit inspirierte das MIT -Team dazu, zu untersuchen, ob es Bakterienzellen entwickeln könnte, um hyperspektrale Reporter zu produzieren, wenn sie ein Zielmolekül nachweisen.

Damit ein hyperspektraler Reporter am nützlichsten ist, sollte er eine spektrale Signatur mit Peaks in mehreren Lichtwellenlängen aufweisen, was es einfacher zu erkennen lässt. Die Forscher führten Quantenberechnungen durch, um die hyperspektralen Signaturen von etwa 20.000 natürlich vorkommenden Zellmolekülen vorherzusagen, sodass sie diejenigen mit den einzigartigsten Mustern der Lichtemission identifizieren können. Ein weiteres Schlüsselmerkmal ist die Anzahl der Enzyme, die in eine Zelle konstruiert werden müssten, damit sie den Reporter erzeugt – ein Merkmal, das für verschiedene Zellenarten variiert.

„Das ideale Molekül ist eines, das sich wirklich von allem anderen unterscheidet und es nachweisbar macht und die geringste Anzahl von Enzymen erfordert, um es in der Zelle zu produzieren“, sagt Voigt.

In dieser Studie identifizierten die Forscher zwei verschiedene Moleküle, die für zwei Arten von Bakterien am besten geeignet waren. Für ein Bodenbakterium genannt Pseudomonas putidaSie verwendeten einen Reporter namens Biliverdin – ein Pigment, das sich aus dem Zusammenbruch des Häms ergibt. Für ein aquatisches Bakterium genannt Rubrivivax GelatineusSie verwendeten eine Art von Bakteriochlorophyll. Für jedes Bakterium konstruierten die Forscher die Enzyme, die zur Herstellung des Reporters in die Wirtszelle erforderlich waren, und verknüpften sie dann mit gentechnisch veränderten Sensorschaltungen.

„Sie könnten einen dieser Reporter zu einem Bakterium oder einer Zelle mit einem genetisch kodierten Sensor in seinem Genom hinzufügen. Es kann also auf Metalle oder Strahlung oder Toxine im Boden reagieren, oder Nährstoffe im Boden oder was auch immer es ist, auf das Sie wollen. Dann würde die Produktion dieses Moleküls, die dann von weit entfernt von weit entfernt sein kann,“ Voigt „, sagt Voigt.

Fernerkundung

In dieser Studie haben die Forscher die hyperspektralen Reporter mit Schaltkreisen in Verbindung gebracht, die für die Quorum -Erfindung ausgelegt sind, die es Zellen ermöglichen, andere nahe gelegene Bakterien nachzuweisen. Sie haben auch in der Arbeit nach diesem Papier gezeigt, dass diese meldenden Moleküle mit Sensoren für Chemikalien einschließlich Arsen verbunden werden können.

Beim Testen ihrer Sensoren setzten die Forscher sie in Kisten ein, damit sie bleiben. Die Kisten wurden in Feldern, Wüsten oder auf den Dächern von Gebäuden platziert, und die Zellen erzeugten Signale, die unter Verwendung hyperspektraler Kameras auf Drohnen nachgewiesen werden konnten. Die Kameras dauern ungefähr 20 bis 30 Sekunden, um das Sichtfeld zu scannen, und Computeralgorithmen analysieren dann die Signale, um anzuzeigen, ob die hyperspektralen Reporter vorhanden sind.

In diesem Artikel berichteten die Forscher in der Bildgebung aus einem maximalen Abstand von 90 Metern, aber sie arbeiten jetzt daran, diese Entfernungen zu erweitern.

Sie stellen sich vor, dass diese Sensoren für landwirtschaftliche Zwecke wie Erfassungsstickstoff- oder Nährstoffspiegel im Boden eingesetzt werden könnten. Für diese Anwendungen könnten die Sensoren auch so ausgelegt sein, dass sie in Pflanzenzellen arbeiten. Die Erkennung von Landminen ist eine weitere potenzielle Anwendung für diese Art der Erfassung.

Vor der Einsatz müssten die Sensoren durch die US -Umweltschutzbehörde sowie das US -Landwirtschaftsministerium eine behördliche Genehmigung unterziehen, wenn sie für die Landwirtschaft verwendet werden. Voigt und Chemla haben sowohl mit Agenturen als auch mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft und anderen Interessengruppen zusammengearbeitet, um festzustellen, welche Arten von Fragen beantwortet werden müssen, bevor diese Technologien genehmigt werden konnten.

„Wir waren in den letzten drei Jahren sehr beschäftigt, um zu verstehen, was die regulatorischen Landschaften sind und was sind die Sicherheitsbedenken, was sind die Risiken, was sind die Vorteile dieser Art von Technologie?“ Chemla sagt.

Die Forschung wurde vom US -Verteidigungsministerium, dem Forschungsbüro der US -Armee und dem Verteidigungsministerium Israels finanziert.

Quellen: