Бактериальные биосенсоры: будущее детекции аналитов

Ученые могут создавать полезные инструменты из микробов, в том числе конструировать бактериальные клетки для обнаружения и сигнализации о присутствии специфических соединений. Эти микробные биосенсоры на основе целых клеток имеют множество применений — от детекции токсинов в окружающей среде до сигнализации об инфекциях или заболеваниях у людей. Благодаря достижениям синтетической биологии исследователи продолжают совершенствовать методологию создания бактериальных биосенсоров и разрабатывают новые способы их применения для здоровья человека и планеты.

Что такое биосенсоры на основе целых клеток?

Бактериям необходимо понимать, что происходит вокруг них, чтобы выжить. «У них есть множество сенсоров, которые являются естественной частью их физиологии», — говорит Кэролайн Ахо-Франклин, профессор бионаук в Университете Райса. Однако эти сенсоры не просто детектируют, они также «приказывают» бактерии что-то сделать. Задача исследователей в этой области — использовать эти естественные реакции, чтобы бактерии «рассказали» нам, людям, что они «видят» и «чувствуют».

Хотя способов создания микробного биосенсора бесчисленное множество, базовый принцип одинаков: бактериальная клетка программируется (обычно методами генной инженерии) для распознавания целевой молекулы и генерации измеримого сигнала в ответ на нее. В естественных условиях соединение связывается с рецептором на бактерии, запуская транскрипционный каскад и производство белков с определенными физиологическими функциями (например, эффлюксных насосов). При создании биосенсоров ученые «перехватывают» эти ответы с помощью трансдьюсера, чтобы вместо производства, например, эффлюксных насосов, клетки генерировали ответ, который можем считать мы.

Этот ответ, в зависимости от назначения биосенсора, может быть электрохимическим или заключаться в экспрессии флуоресцентных или люминесцентных репортерных белков. Часто биосенсоры конструируют так, чтобы они работали только в присутствии целевой молекулы. Эта возможность тонкой настройки специфичности и чувствительности делает бактериальные биосенсоры перспективными аналитическими инструментами.

Применение бактериальных биосенсоров

Сферы применения этих крошечных инструментов постоянно расширяются. Их можно разделить на две основные категории: экологические и биомедицинские.

Экологические применения

Биосенсоры на основе целых клеток предоставляют данные об уровнях питательных веществ и органических соединений в почвах, что может помочь в управлении ростом сельскохозяйственных культур. Они также могут сигнализировать о присутствии и концентрации потенциально опасных соединений. Например, группа Ахо-Франклин совместно с коллегами разработала биосенсор для детекции тиосульфата — химиката, часто используемого в очистке воды, который в избытке может вызывать микробное цветение в пресных водоемах.

Большинство биосенсоров полагаются на транскрипцию репортерного гена для генерации сигнала, что требует времени (до 30 минут) и много клеточной энергии. Чтобы оптимизировать процесс, команда из Райса использовала посттрансляционный подход, создав в Escherichia coli синтетическую цепь переноса электронов. Электроны от тиосульфата проходят через эту синтетическую цепь и достигают электрода, генерируя электрический ток за минуту или меньше. Такая технология позволяет быстро реагировать на случайный выброс токсина и смягчать его экологическое воздействие.

Биомедицинские применения

Бактериальные биосенсоры можно сконструировать для реакции на другие бактерии. Микробы секретируют множество метаболитов, многие из которых могут служить мишенями. Например, микробные биосенсоры, детектирующие молекулы «чувства кворума», секретируемые бактериальными патогенами, могут сигнализировать о присутствии болезнетворных микробов в воде или в образцах человека для диагностики инфекций.

Бактериальные биосенсоры могут предоставлять полезную информацию о здоровье пациентов. Недавнее исследование описало биосенсор на основе почвенной бактерии Acinetobacter baylyi, способный обнаруживать ДНК раковых клеток in vitro и в модели на мышах. Эта работа закладывает основу для применения микробных биосенсоров в выявлении и диагностике рака.

Ученые также создали проглатываемые биосенсоры, которые могут обнаруживать кровотечение или воспалительные биомаркеры в кишечнике для мониторинга его здоровья. Сигналы от таких внутренних микробных устройств могут передаваться на внешние устройства, например смартфоны, что иллюстрирует возможность интеграции биосенсоров с существующими цифровыми технологиями для сбора и анализа данных.

В чем преимущество биосенсоров?

Для таких задач, как мониторинг аналитов в почве или диагностика заболеваний, уже существуют инструменты и технологии. Зачем тогда нужны биосенсоры? Как отмечает Ахо-Франклин, в большинстве случаев стандартные приборы и тесты справляются — нет необходимости использовать биосенсоры, например, для измерения pH или уровня кислорода. Но когда дело доходит до химической специфичности, биосенсоры действительно сияют.

«Биология потрясающе хороша в том, чтобы очень быстро различать, например, агонист и антагонист эстрогена», — говорит она, ссылаясь на работу ее лаборатории по использованию быстрого биосенсора для детекции антагонистов эстрогена, которые могут нарушать репродукцию морских позвоночных. Использование естественной специфичности микробной сигнализации позволяет ученым находить именно то, что они ищут, в молекулярно «загрязненном» естественном мире.

Бактериальные биосенсоры также можно развернуть в окружающей среде, не нарушая физически локальную экосистему (например, изменяя ландшафт для отбора проб почвы). Дополнительное преимущество в том, что микробные биосенсоры относительно недороги в приготовлении и хранении, что делает их потенциально ценными в регионах с ограниченными ресурсами, где традиционные аналитические приборы или тесты могут быть недоступны — будь то удаленные районы на Земле или даже на других планетах.

Что дальше?

Учитывая прогресс в этой области, мир, где бактериальные биосенсоры станут обычными аналитическими инструментами, не за горами. Двигаясь к этому будущему, исследователи сосредотачиваются на нескольких ключевых направлениях развития.

Одним из важнейших вопросов является безопасное использование биосенсоров — микробные устройства нельзя и не следует выпускать в окружающую среду без ограничений. Ахо-Франклин подчеркивает, что ключевым моментом будет внедрение уровней контроля, таких как разработка тактик для удержания микробов как физически (например, заключение их в капсулу или матрицу), так и биохимически (чтобы в случае побега из физического удержания они переставали размножаться или были метаболически неактивны).

Также предпринимаются усилия по взаимодействию с общественностью и политиками для понимания и решения проблем, связанных с созданием и использованием микробных биосенсоров. «Ни у кого нет проблем с канарейками в угольной шахте, — говорит Ахо-Франклин. — Но когда это генетически модифицированная канарейка, история другая».

В идеале бактериальные биосенсоры будущего будут не только детектировать, но и реагировать; то есть сенсор может не только обнаружить присутствие загрязнителя, но и разложить его. В конце концов, это то, что бактерии делают естественным образом — они чувствуют угрозу и справляются с ней. Ахо-Франклин сравнивает цель совмещения детекции с действием с тушением пожара в лаборатории — если вы видите огонь, вы дергаете пожарную тревогу и берете огнетушитель. Вы не дергаете тревогу и стоите, сложа руки.

Но что, если теоретически каждый пожар уникален и требует особого огнетушителя? Химическая специфичность бактериальных биосенсоров — это отлично, но создавать совершенно новый сенсор для каждого из тысяч соединений, которые ученые могут захотеть обнаружить, нереально. Поэтому сейчас наблюдается движение к разработке биосенсоров, которые детектируют молекулярную функцию, а не отдельные химические вещества (например, поиск потенциальных эндокринных разрушителей в образце, а не только, к примеру, BPA, одного из многих таких разрушителей).

Впереди много работы. Движение вперед во всех этих направлениях требует междисциплинарного подхода, опирающегося на опыт всех — от инженеров-электриков до специалистов в области государственной политики. «Я чувствую, что этот подход — это одновременно и вызов для всех нас, работающих в этой области, и радость, — делится Ахо-Франклин. — Я одновременно и потеряна, и сбита с толку, и в восторге».