Новый метод использует модифицированные бактерии и ИИ для обнаружения и записи сигналов окружающей среды

Исследователи из лаборатории профессора биомедицинской инженерии Тала Данино разработали систему записи данных на основе естественно формирующих узоры бактерий и искусственного интеллекта.

• Бактериальная основа: В работе использовалась бактерия Proteus mirabilis (P. mirabilis), которая в природе самоорганизуется в видимые невооруженным глазом концентрические кольца (узоры "бычий глаз") на твердой питательной среде. Чередуются фазы роста (плотные кольца) и скоординированного движения ("роение").
• Идея: Исследователи вдохновились тем, как годичные кольца деревьев записывают историю климата, и решили применить кольца P. mirabilis в качестве аналогичной системы записи.
• Инженерия: Бактерии были модифицированы с помощью "генетических схем" — систем генетических элементов, которые заставляют бактерии реагировать на определенные стимулы изменением способности к "роению". Это видимо меняет итоговый узор.
• Стимулы: В качестве входных сигналов, которые "записывали" бактерии, использовались температура, молекулы сахара и тяжелые металлы (например, ртуть и медь).
• Расшифровка ИИ: Для декодирования информации из бактериальных узоров был применен глубокий анализ (deep learning). Модели ИИ классифицировали узоры целиком (например, для предсказания концентрации сахара) или сегментировали края внутри узора (например, для определения количества изменений температуры в процессе роста колонии).
• Преимущества: Узоры P. mirabilis видны без дорогостоящего оборудования и формируются на прочной агаровой среде, что повышает потенциал системы как сенсора в различных условиях.
• Цель и значение: Разработка недорогой системы обнаружения и записи таких условий окружающей среды, как загрязнители и токсичные соединения. Это первое исследование, где естественно формирующая узоры бактерия была модифицирована для работы в качестве сенсора.
• Перспективы: Помимо сенсоров, контроль над движением и организацией бактерий в колонии может помочь в создании "живых" материалов в больших масштабах и в разработке бактериальных "умных" терапевтических средств. В планах — расширение диапазона обнаруживаемых веществ, переход на безопасные "пробиотические" бактерии и создание устройства для применения системы вне лаборатории.

Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.