Бактериальные сенсоры обеспечивают обнаружение мышьяка и кадмия в воде в реальном времени
Исследователи из Университета Райса создали генетически модифицированные бактерии E. coli, которые действуют как живые мультиплексные сенсоры. Эти клетки могут одновременно обнаруживать несколько токсинов в окружающей среде и преобразовывать свои биологические реакции в читаемые электрические сигналы. Это открывает путь к мониторингу водных систем, трубопроводов и промышленных объектов в реальном времени и дистанционно, с потенциальным применением в биокомпьютинге.
Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, демонстрирует инновационный метод для обнаружения арсенита и кадмия на месте и в реальном времени на уровнях, установленных Агентством по охране окружающей среды (EPA).
Исследование под руководством Сюй Чжана, Маримикеля Шаррье и Кэролайн Аджо-Франклин решает проблему неэффективности современных биоэлектронных сенсоров, которым обычно требуется отдельный канал связи для каждого целевого соединения. Стратегия мультиплексирования команды значительно увеличивает пропускную способность информации, используя врожденную чувствительность и адаптивность бактерий в рамках автономной платформы.
«Эта система представляет собой большой скачок в биоэлектронном зондировании, кодируя несколько сигналов в один поток данных, а затем декодируя эти данные в несколько четких ответов "да" или "нет"», — сказала Кэролайн Аджо-Франклин, профессор бионаук и автор-корреспондент исследования.
Инженерия бактерий для "общения" с помощью напряжений
Обычные биоэлектронные сенсоры используют модифицированные бактерии для генерации электрических сигналов, но для каждого аналита обычно требуются свои собственные штаммы. Исследователи вдохновились волоконно-оптической связью, где разные длины световых волн передают отдельные потоки данных по одному кабелю. Они предположили, что электрические сигналы с различными редокс-потенциалами, или «энергиями», могут аналогичным образом мультиплексировать информацию от одного сенсора.
«Нам нужно было определить, как надежно разделять сигналы разной энергии независимо от образца или токсина», — сказал Сюй Чжан, соавтор исследования.
Команда разработала электрохимический метод, который изолирует эти редокс-сигнатуры и преобразует их в бинарные ответы, указывающие на присутствие или отсутствие каждого токсина. Их работа объединила синтетическую биологию с электрохимическим анализом: запрограммированные штаммы E. coli специфически взаимодействуют либо с арсенитом, либо с кадмием, что приводит к различным электрическим откликам.
Система может одновременно сообщать о двух токсинах, используя единую электродную установку и сенсорный массив, который различает эти редокс-сигнатуры.
Обнаружение двойной угрозы и максимизация эффекта
Мультиплексные сенсоры успешно обнаруживали арсенит и кадмий на пороговых уровнях стандартов EPA в тестах окружающей среды. Эта способность критически важна, особенно с учетом потенциальной синергетической токсичности при совместном присутствии обоих металлов, что представляет больший риск, чем каждый загрязнитель по отдельности.
«Эта система позволяет нам более эффективно и точно обнаруживать комбинированные опасности, — сказал Маримикель Шаррье, соавтор исследования. — Более того, поскольку платформа модульная, ее можно масштабировать для одновременного скрининга большего количества или других токсинов».
Благодаря интеграции беспроводных технологий, возможности системы выходят за рамки мониторинга тяжелых металлов. Например, сенсор может обеспечить дистанционное наблюдение за водными системами, трубопроводами и промышленными объектами в реальном времени.
Лежащая в основе биоэлектронная структура также указывает на будущие применения в биокомпьютинге, где модифицированные клетки могли бы не только чувствовать и хранить данные об окружающей среде, но и потенциально обрабатывать и передавать их через электронные интерфейсы.
Создание будущего био-цифровых интерфейсов
Это исследование закладывает основу для продвинутой био-цифровой интеграции. Работа команды знаменует собой ранний, но заметный шаг к созданию интеллектуальных, самопитающихся сетей биосенсоров.
По мере развития области биоэлектроники исследователи предполагают, что мультиплексные беспроводные бактериальные сенсоры станут важными инструментами, которые можно будет масштабно развертывать для экологического мониторинга, диагностики и даже задач биокомпьютинга, питаясь от микроорганизмов.
«Ключевое преимущество нашего подхода — его адаптивность; мы считаем, что это лишь вопрос времени, когда клетки смогут кодировать, вычислять и передавать сложную информацию об окружающей среде или биомедицинские данные», — сказала Аджо-Франклин.