Cuando se trata de analizar el agua potable en busca de contaminantes peligrosos, como metales pesados ​​como plomo o cadmio, Es importante realizar pruebas continuas directamente de los grifos de los que la gente bebe. Todavía, se hace muy poco de este tipo de análisis de agua. Un equipo de la UC San Diego y la filial Quantitative BioSciences del campus está trabajando para mejorar la situación.

"El agua puede estar bien para beber, bien para beber bien para beber ... y luego no lo es, ", dijo Natalie Cookson (2008), alumna de bioingeniería de UC San Diego, mientras explicaba el valor del monitoreo continuo del agua potable, en comparación con el monitoreo esporádico del agua.

Ella espera que este trabajo produzca sistemas de prueba de agua asequibles que se puedan instalar en los grifos de los que la gente realmente bebe. El agua que salía de la planta de tratamiento en Flint Michigan, por ejemplo, no tenía niveles peligrosamente altos de plomo. Pero cuando esa misma agua brotó de los grifos de los residentes de Flint, el plomo estaba en el agua.

Un equipo de UC San Diego y Quantitative BioSciences tiene un nuevo enfoque para el monitoreo continuo de la contaminación por metales pesados ​​en el agua potable utilizando bacterias como sensores de contaminación. El equipo publicó recientemente sus avances en la revista. Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

"Nuestra principal prioridad es hacer un trabajo del que nos sintamos orgullosos y que tengamos un impacto, "dijo Cookson.

Si bien existen algunas opciones para la prueba de agua residencial de metales pesados, hay técnicas, limitaciones logísticas y de costes que obstaculizan la generalización, monitoreo continuo del agua del grifo dentro de las casas, escuelas y granjas. El equipo de San Diego busca eliminar estas barreras.

E. coli como probadores de agua

El nuevo enfoque de monitoreo del agua se basa en cepas inofensivas de la bacteria E. coli para detectar realmente los contaminantes de metales pesados. Si bien la E. coli aparece en los titulares en relación con la intoxicación alimentaria, Las cepas inofensivas del microbio se utilizan en laboratorios de todo el mundo para diferentes propósitos de investigación.

Son las ratas de laboratorio del mundo bacteriano.

"Ok, E. coli, ", dijo Nick Csicsery." Si hay arsénico y lo sabes, Haznos saber."

A veces, la E. coli lo sabía y a veces no, "dependiendo del metal, ", explicó Csicsery. Recientemente obtuvo su doctorado en bioingeniería en el laboratorio Hasty en UC San Diego y se unió a Quantitative BioSciences, donde trabaja en el desarrollo de técnicas de seguimiento basadas en biología sintética.

¿Cómo nos "hacen saber" estos microbios sobre la presencia de un metal pesado peligroso en el agua?

La respuesta es que los genomas bacterianos reaccionan a los contaminantes de formas que los humanos han aprendido a reconocer.

"Tenemos acceso al código de vida que nos rodea, "dijo Gregoire Thouvenin, un doctorado en bioingeniería de UC San Diego. estudiante y otro de los primeros coautores de la PNAS papel. "Cuando estudias microbios, profundizas más y te das cuenta de que están más conectados con todo lo demás de lo que pensabas inicialmente ".

En este caso, aprovechar estas conexiones requirió investigadores de muchos campos, incluida la bioingeniería, Biología sintética, microfluidos, matemáticas y ciencia de datos para combinar fuerzas. El resultado es un sistema que monitorea el agua durante dos semanas y reconoce cuando los contaminantes en el agua cambian el comportamiento genético de 2, 000 diferentes cepas de bacterias.

Hotel E. coli

En este sistema de análisis de agua impulsado por bacterias, cada cepa de bacterias vive dentro de su propia cámara pequeña, y los 2, 000 cepas están alineadas en el mismo chip hecho de un material translúcido duro. Hay canales diminutos que llevan agua, contaminantes y alimentos a cada una de las cámaras de forma controlada.

Estos 2, 000 cepas bacterianas tienen cada una un poco de material genético insertado en una pequeña pieza circular de su ADN (un plásmido) que permite una salida de fluorescencia para "resaltar" la actividad de un gen específico. Cuando un contaminante del agua interactúa con el gen insertado, las bacterias se encienden.

Con su configuración de microfluidos, los investigadores pueden registrar qué cepas se encienden y cuándo. Este patrón de parpadeo se registra y se alimenta a un sistema de inteligencia artificial. El resultado es una capacidad automatizada para identificar cuándo las bacterias encuentran contaminantes de metales pesados ​​específicos en el agua, basado en el patrón de luces que producen las bacterias. Doctorado en Bioingeniería El estudiante Garrett Graham dirigió la parte de ciencia de datos e inteligencia artificial del proyecto. (Se graduó y trabaja como analista de datos climáticos en el Instituto de Estudios Climáticos de Carolina del Norte).

La idea es que los sistemas se instalen en lugares donde la gente realmente bebe agua, para identificar el agua contaminada.

Si bien los investigadores eligieron la identificación de metales pesados ​​para demostrar el poder y la flexibilidad de su sistema, los componentes de inteligencia artificial del mismo podrían entrenarse para identificar también otros contaminantes.

El arte y la ciencia de hacer

Uno de los grandes avances de este proyecto fue descubrir cómo diseñar, construir y ejecutar el sistema para insertar, alojamiento, alimentando y haciendo un seguimiento de los 2, 000 cepas diferentes de bacterias en el transcurso de dos semanas.

Lizzy Stasiowski y Nick Csicsery dirigieron el diseño y la fabricación del sistema que permite los 2, 000 cepas de E. coli que se cargarán en el sistema a la vez.

Este proyecto fusionó el arte y la ciencia de "hacer" con la biología sintética, análisis genómico y aprendizaje automático, para crear un sistema preparado para hacer el bien en el mundo.

"Una de mis cosas favoritas de este proyecto es lo versátil que puede ser. Nuestro sistema le permite monitorear los cambios dinámicos en la expresión génica de miles de cepas bacterianas simultáneamente a cualquier cambio ambiental. Es un proyecto que es relevante tanto para la industria como para la academia. "dijo Stasiowski.

Recientemente terminó su doctorado en bioingeniería. en UC San Diego y es un becario de Vertex Pharmaceuticals en San Diego que trabaja en investigación y desarrollo de instrumentación.

"Si bien considero que el enfoque en los metales pesados ​​es interesante en términos de una cuidadosa prueba de concepto, Estoy muy entusiasmado con la tecnología como herramienta de selección para investigadores y empresas que se centran en la biología sintética. "dijo Jeff Hasty, un profesor de bioingeniería y biología de UC San Diego que es el autor principal del artículo de PNAS. "La tecnología está bien posicionada para el descubrimiento de genes que responden a señales complejas que se encuentran en aplicaciones ambientales y médicas".

Utilizado como herramienta de detección, La combinación única de microfluidos e inteligencia artificial de la plataforma podría ayudar a arrojar nueva luz sobre los mecanismos que permiten a las células interpretar y reaccionar a entornos cambiantes. y permitir la prueba de cepas sintéticas diseñadas para interactuar con el medio ambiente de nuevas formas. Las técnicas de cribado existentes rara vez tienen la resolución temporal y el rendimiento necesarios para hacerlo. Por lo tanto, la plataforma tiene el potencial de ser de gran valor tanto para los biólogos sintéticos (que diseñan e implementan nuevas funciones en las células vivas) como para los biólogos de sistemas (que construyen modelos completos de todas las reacciones que ocurren en una célula).

Thouvenin se puso un poco más filosófico. "Los seres vivos que nos rodean son maleables y han sido bellamente moldeados y elaborados por la evolución durante millones de años. Y ahora tenemos acceso a eso, tanto en términos de entenderlo, reutilizándolo, y, en última instancia, optimizarlo para un mundo cambiante ".