Биосенсоры на бактериях: электрический сигнал о загрязнении в реальном времени

Учёные из Университета Райса создали живые биоэлектронные сенсоры на основе генетически модифицированных бактерий Escherichia coli. Устройства способны в течение нескольких минут детектировать присутствие загрязнителей в воде, генерируя измеримый электрический ток. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Как это работает

Бактерии запрограммированы на экспрессию синтетического пути переноса электронов, который активируется только при контакте с целевым веществом. Система состоит из восьми белковых компонентов и действует как "микроскопический электрический выключатель".

"Представьте провод, направляющий электроны от клеточного химического вещества к электроду, но мы разорвали его посередине. Когда целевая молекула попадает в систему, она восстанавливает соединение и замыкает цепь", — объясняет Джонатан Силберг.

Конструкция и чувствительность

Чтобы бактерии не смывались водой, сенсоры инкапсулировали в агарозные "леденцы", пропускающие загрязнители, но удерживающие клетки. Это значительно снизило уровень шума.

В экспериментах сенсоры показали высокую чувствительность:

• Обнаружение тиосульфата (агент для дехлорирования воды) на уровнях ниже 0.25 миллимоль/л — это значительно меньше концентраций, токсичных для рыб.
• Детекция эндокринного разрушителя с помощью рекодированных бактерий. При добавлении специально синтезированных проводящих наночастиц скорость обнаружения выросла в 10 раз по сравнению с предыдущими лучшими устройствами.

Происхождение и перспективы

Проект начался в 2015 году после случайной встречи авторов на конференции по синтетической биологии. Исследование поддержало Управление военно-морских исследований США (Office of Naval Research).

Учёные видят широкие возможности для применения технологии:

• Мониторинг рек, ферм, промышленных стоков и очистных сооружений.
• Обеспечение водной безопасности.
• Потенциально — мониторинг микробиома кишечника или детекция вирусов (по аналогии с тестированием сточных вод на SARS-CoV-2).

"Поскольку мы выращиваем эти сенсоры, их производство потенциально очень дёшево. А мониторинг в реальном времени становится критически важным", — отмечает Силберг.

В настоящее время команда работает над созданием библиотеки модульных сенсоров и сотрудничает с экспертами по материалам, чтобы вывести технологию на новый уровень.