Бактерии-сенсоры, видимые с расстояния в 90 метров

Инженеры MIT разработали новый метод, позволяющий считывать сигналы от генетически модифицированных бактерий с расстояния до 90 метров с помощью гиперспектральных камер. Это открывает путь к созданию бактериальных сенсоров для сельского хозяйства и мониторинга окружающей среды, которые можно контролировать с дронов или спутников.

Принцип технологии

• Проблема старых методов: Обычные бактериальные сенсоры, использующие, например, зеленый флуоресцентный белок (GFP), требуют изучения в микроскоп и не подходят для масштабного применения.
• Новое решение: Клетки модифицируют для производства особых гиперспектральных репортерных молекул, излучающих уникальные комбинации цветов в видимом и инфракрасном спектрах.
• Ключевая особенность: Сигнал невидим невооруженным глазом, но четко детектируется специальными камерами на большом расстоянии.

Разработка репортеров

Исследователи провели квантовые расчеты для прогнозирования спектральных сигнатур около 20 000 природных молекул, чтобы найти наиболее уникальные. Для двух типов бактерий были выбраны оптимальные репортеры:

• Для почвенной бактерии Pseudomonas putida — пигмент биливердин.
• Для водной бактерии Rubrivivax gelatinosus — тип бактериохлорофилла.

Эти молекулы связали с генетическими сенсорными схемами внутри клеток. "Вы можете добавить один из этих репортеров к любой клетке, в геноме которой есть закодированный сенсор. Он может реагировать на металлы, радиацию, токсины или питательные вещества в почве", — поясняет Кристофер Войгт, старший автор исследования.

Тестирование и перспективы

• В данной работе репортеры были связаны с системами чувства кворума (обнаружения соседних бактерий).
• Сенсоры, помещенные в контейнеры, тестировали в полях, пустынях и на крышах зданий.
• Гиперспектральные камеры на дронах сканировали местность за 20-30 секунд, а алгоритмы анализировали сигналы.
• В дальнейшем технология была успешно совмещена с сенсорами на такие вещества, как мышьяк.

Потенциальные области применения:

• Сельское хозяйство (мониторинг уровня азота или питательных веществ в почве).
• Обнаружение наземных мин.
• Экологический мониторинг.

Перед внедрением технология должна пройти регуляторное одобрение Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и, в случае сельскохозяйственного использования, Министерства сельского хозяйства США (USDA).

Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.