Un gen "genio" desarrollado por científicos de la Universidad de Rice otorga a los investigadores datos valiosos sobre microbios a través de bocanadas de gas del suelo. La última versión es un sensor microbiano robusto de dos etapas que ayudará a los bioingenieros, Los geobiólogos y otros investigadores observan la expresión génica y la biodisponibilidad de nutrientes en facsímiles de laboratorio de entornos como el suelo y los sedimentos sin perturbarlos.

El gas es producido por microbios diseñados genéticamente para informar tanto sobre su entorno como sobre su actividad y mezclado con muestras de suelo en experimentos de laboratorio contenidos. Un gas que se filtra les dice a los investigadores cuántos de los microbios objetivo están presentes y un segundo gas les dice a los investigadores qué están haciendo los microbios. Finalmente, al equipo de Rice le gustaría que los microbios programados revelaran si se comunican entre sí y cómo.

Los detalles sobre los sensores aparecen en la revista American Chemical Society. Biología sintética ACS .

La investigación en curso comenzó en 2015 con una subvención de $ 1 millón de W.M. Keck y está dirigida por el biólogo sintético de Rice Jonathan Silberg, la biogeoquímica Caroline Masiello y la estudiante de posgrado y autora principal Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Su objetivo ha sido medir la bioactividad en entornos opacos, especialmente aquellos en los que cambiar el entorno alteraría los resultados.

Silberg dijo que los nuevos microbios emisores de gas operan con el mismo principio que los que contienen dos proteínas fluorescentes; por ejemplo, una proteína de fluorescencia verde marcaría todas las células en un plato y una roja se iluminaría cuando se activara por una actividad microbiana, como expresión de proteínas o proximidad de una molécula específica.

"En esos sistemas, puede comprobar la proporción de verde a rojo y saber, de media, qué están haciendo las células, ", dijo." Pero eso no funciona en suelos ".

En la actualidad, Los investigadores miden la actividad microbiana en el suelo triturando muestras y utilizando procesos como la cromatografía líquida de alto rendimiento para cuantificar su contenido. Eso no solo elimina la oportunidad de estudiar la misma muestra a lo largo del tiempo, también limita el alcance de los datos.

"Nuestro sistema responde a la pregunta correcta, "Dijo Masiello." ¿Saben los microbios que estos compuestos están presentes? y ¿qué están haciendo en respuesta a ellos? "

En el sistema métrico de razón del laboratorio de Rice, gases que emergen de modificados E. coli u otros microbios podrían ayudar a los científicos a medir el desarrollo del suelo. Ratio-métrico significa que la salida de gas es directamente proporcional a la entrada, en este caso, el nivel de actividad que detecta el microbio.

En una prueba, E. coli fue modificado para expresar enzimas que sintetizan etileno y bromometano. La bacteria producía etileno continuamente, lo que permitió a los investigadores monitorear el tamaño de la población de microbios, pero solo produce bromometano cuando lo activa, en este caso, la biodisponibilidad de las acilhomoserinas lactonas (AHL), moléculas que facilitan la señalización entre bacterias.

Después de que Cheng puso el E. coli en suelo agrícola y establezca la temperatura para maximizar las señales de gas, descubrió que la adición de AHL de cadena corta y larga no afectaba la producción de etileno, pero sí afectaba drásticamente al bromometano. La concentración más alta de AHL de cadena corta aumentó la señal de bromometano más de un orden de magnitud, y AHL de cadena larga de casi dos órdenes de magnitud.

Pruebas con otra bacteria, Shewanella, cuyo hábitat nativo es un sedimento, mostró resultados igualmente robustos. "El rango dinámico para detectar productos químicos con lo que construyó Shelly es muy bueno, ", Dijo Silberg." Variará con el organismo, pero la biología sintética realmente se trata de ajustar todo eso ".

"El aspecto particularmente útil de este trabajo es el potencial para distinguir entre lo que se puede extraer químicamente en un ambiente marino o del suelo y lo que un microbio percibe allí". Masiello dijo. El hecho de que podamos triturar un suelo y medir algo no significa que las plantas o los microbios sepan lo que hay allí. Estas herramientas son lo que necesitamos para poder, por primera vez, medir la percepción microbiana de su entorno ".

Los microbios modificados están destinados a ser utilizados para pruebas de laboratorio y no en la naturaleza. Pero las pruebas serían mucho más rápidas que los procesos actuales y permitirían a los laboratorios monitorear una muestra continuamente a lo largo del tiempo. Los investigadores anticipan aplicaciones no solo en biología sintética y ciencias ambientales, sino también para rastrear el destino ambiental de las bacterias intestinales que se están desarrollando para diagnósticos y terapias.

Avanzando, el laboratorio de Rice tiene la intención de centrar su esfuerzo en la parte de salida condicional del sensor. "Mientras construíamos esto, personas como (el biocientífico de Rice) Jeff Tabor y otros están estandarizando los módulos de detección, ", Dijo Silberg." Estamos construyendo nuevos módulos de salida que luego podría acoplar a la gran diversidad de sensores que están construyendo.

"Shelly realmente abrió el camino para demostrar que podemos hacer informes de gas, y ella fue la primera en hacerlo en suelos, ", dijo." Luego mostró que podíamos hacerlo con la transferencia horizontal de genes como parte de nuestra prueba de concepto, y ahora esto. Las herramientas están llegando y creo que las aplicaciones serán las siguientes ".