Новая технология биосенсоров от MIT: как генетически модифицированные бактерии помогут в мониторинге окружающей среды
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) сделали шаг вперед в области экологии и биотехнологий, разработав инновационный метод использования генетически модифицированных бактерий, позволяющий дистанционно «читать» их сигналы на расстоянии до 90 метров. В процессе исследования была разработана уникальная система, состоящая из дронов и гиперспектральных камер, что открывает новые горизонты для создания доступных и масштабируемых биосенсоров, способных эффективно мониторить загрязнения и состояния экосистем.
Генетически модифицированные бактерии могут «чуять» различные молекулы — от источников питательных веществ до токсических соединений. Однако традиционные методы считывания сигналов, которые они генерируют, требуют использования дорогостоящего лабораторного оборудования, что ограничивает их применение в полевых условиях. Решение команды MIT заключается в том, чтобы заставить бактерии производить специфические молекулы, которые, в свою очередь, испускают уникальные паттерны света — гиперспектральные сигналы.
Гиперспектральные камеры, используемые в данном проекте, отличаются от обычных тем, что способны фиксировать не просто цвета, а целые спектры из сотен длин волн. Каждый органический или неорганический компонент, производимый бактериями, оставляет свой «оптический отпечаток», который может быть выделен среди остальных на большом расстоянии. Профессор Кристофер Фойгт, возглавляющий кафедру биоинженерии MIT, подчеркивает, что данная технология позволяет получать информацию о состоянии межклеточного метаболизма на расстоянии, выходящем за пределы традиционных наблюдений.
Ключом к успеху стали ранее разработанные генетические цепи, которые запускают выработку сигнальных молекул в ответ на специфические вещества. Например, бактерия Pseudomonas putida была адаптирована для производства биливердина — пигмента, который образуется при распаде гемоглобина, тогда как Rubrivivax gelatinosus вырабатывает бактериохлорофилл, аналогичный растительному хлорофиллу.
Чтобы добиться нужного эффекта, ученые провели анализ около 20 000 молекулярных вариантов по критериям спектральных характеристик и необходимого количества ферментов для синтеза. Главным приоритетом было создание яркой и уникальной «подписи» при минимальных изменениях в самой бактериальной клетке. Это обеспечивает высокую степень надежности и точности сенсоров.
Бактерии, адаптированные к зависимости от определенных вещества, помещаются в специальные контейнеры, размещаемые в открытых пространствах — полях, пустынях и на крышах. С помощью дронов, эскадронные гиперспектральные камеры фиксируют сигналы на расстоянии до 90 метров, что делает процесс мониторинга доступным и эффективным. Полное сканирование занимает всего 20-30 секунд, а алгоритмы smart обработки изображений позволяют быстро распознавать наличие целевых молекул в окружающей среде.
Данная технология уже показала свою эффективность в идентификации химических загрязнителей, таких как мышьяк, и открывает широкие перспективы для анализа состояния почвы за счет оценки уровня азота и других питательных веществ, а также мониторинга моли токсинов в растениях и на поверхности почвы. Как отмечает один из ведущих авторов исследования, Йонатан Чемла, нет никаких технических ограничений, что делает метод универсальным.
Тем не менее, перед внедрением этой технологии необходимо пройти процедуру сертификации в Агентстве по охране окружающей среды США (EPA) и Министерстве сельского хозяйства (USDA). Ученые уже начали сотрудничество с этими учреждениями и другими представителями научного сообщества для оценки возможных рисков, безопасности и влияния на экосистемы. По планам исследователей, после успешного тестирования данная технология сможет быть адаптирована и в других странах, что будет способствовать глобальному мониторингу состояния окружающей среды и повышению уровня защиты экосистем.
Таким образом, новая разработка MIT открывает многообещающие горизонты для применения биотехнологий в экологическом мониторинге, что может сыграть ключевую роль в борьбе с загрязнением и изменением климата на планете.
