En años recientes, Los científicos han desarrollado muchas cepas de bacterias modificadas genéticamente que pueden usarse como sensores para detectar contaminantes ambientales como metales pesados. Si se implementa en el entorno natural, Estos sensores podrían ayudar a los científicos a rastrear cómo cambian los niveles de contaminantes con el tiempo, en una amplia zona geográfica.

Los ingenieros del MIT ahora han ideado una forma de hacer que este tipo de implementación sea más segura, al encerrar los sensores bacterianos en una capa de hidrogel resistente que les impide escapar al medio ambiente y potencialmente propagar genes modificados a otros organismos.

"En este momento se están desarrollando muchos biosensores de células completas, pero aplicarlos en el mundo real es un desafío porque no queremos que ningún organismo modificado genéticamente pueda intercambiar material genético con microbios de tipo salvaje, "dice el estudiante graduado del MIT Tzu-Chieh Tang, uno de los autores principales del nuevo estudio.

Tang y sus colegas demostraron que podían incrustar E. coli en esferas de hidrogel, permitiéndoles detectar los contaminantes que están buscando mientras permanecen aislados de otros organismos. Las carcasas también ayudan a proteger los sensores del daño ambiental.

Timothy Lu, profesor asociado del MIT de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica, y Xuanhe Zhao, un profesor del MIT de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y ambiental, son los autores principales del estudio, que aparece hoy en Biología química de la naturaleza . Junto con Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 y la estudiante graduada del MIT Xinyue Liu también son los autores principales del artículo.

Contención física

Al diseñar bacterias para que expresen circuitos genéticos que normalmente no tienen, los investigadores pueden permitirles detectar una variedad de moléculas diferentes. A menudo, los circuitos están diseñados para que la detección del objetivo desencadene la producción de proteína verde fluorescente o bioluminiscencia. En otros circuitos, un recuerdo del evento se registra en el ADN de las células.

Los circuitos genéticos que entran en estas bacterias a menudo incluyen genes de resistencia a los antibióticos, lo que permite a los investigadores asegurarse de que su circuito genético se haya insertado correctamente en las células bacterianas. Sin embargo, esos genes podrían ser dañinos si se liberan al medio ambiente. Muchas bacterias y otros microbios pueden intercambiar genes, incluso entre diferentes especies, utilizando un proceso llamado transferencia genética horizontal.

Para tratar de prevenir este tipo de intercambio de genes, Los investigadores han utilizado una estrategia llamada "contención química, "lo que implica diseñar los sensores bacterianos para que requieran una molécula artificial que no puedan obtener en la naturaleza. Sin embargo, en una población muy grande de bacterias, existe la posibilidad de que un pequeño número adquiera mutaciones que les permitan sobrevivir sin esa molécula.

Otra opción es la contención física, logrado al encapsular las bacterias dentro de un dispositivo que evita que se escapen. Sin embargo, los materiales que se han probado hasta ahora, como plástico y vidrio, no funcionan bien porque forman barreras de difusión que impiden que las bacterias interactúen con las moléculas que están diseñadas para detectar.

En este estudio, los investigadores decidieron intentar encapsular sensores bacterianos en hidrogeles. Estos son materiales elásticos que se pueden formar a partir de una variedad de bloques de construcción diferentes. Muchos hidrogeles de origen natural, como el alginato, que se deriva de las algas, son demasiado frágiles para proteger las células en un entorno exterior. Sin embargo, El laboratorio de Zhao ha desarrollado previamente algunos hidrogeles elásticos, que los investigadores creían que podría ser adecuado para encapsular bacterias.

Para hacer las esferas protectoras, los investigadores primero incrustaron bacterias en alginato, junto con algunos nutrientes esenciales. Luego, estas esferas se recubrieron con uno de los duros hidrogeles de Zhao, que está hecho de una combinación de alginato y poliacrilamida. Esta capa externa tiene poros que varían de 5 a 50 nanómetros de diámetro, que permite el paso de moléculas como azúcares o metales pesados. Sin embargo, El ADN y las proteínas más grandes no pueden atravesarlo.

Detectando contaminación

Las esferas que los investigadores construyeron para este estudio tienen unos 5 milímetros de diámetro y pueden transportar hasta mil millones de células bacterianas. Los investigadores utilizaron las esferas para encapsular la bacteria E. coli que fueron diseñadas para detectar cadmio, un metal pesado.

Para probar los sensores, los investigadores los colocaron en muestras de agua recolectadas del río Charles. Para determinar si los sensores podrían detectar contaminantes desde el interior de sus esferas, los investigadores agregaron cadmio a las muestras y encontraron que las bacterias podían detectarlo con precisión. Los investigadores también demostraron que las bacterias no escaparon de la esfera ni filtraron ningún material genético.

Los investigadores demostraron que su técnica de encapsulación también funcionaba con una cepa diferente de E. coli que fue diseñada para depender de una molécula artificial, un aminoácido que no se encuentra en la naturaleza.

"Estamos tratando de encontrar una solución para ver si podemos combinar la contención química y física. De esa manera, si alguno de ellos falla, el otro puede mantener las cosas bajo control, "Dice Tang.

En estudios futuros, los investigadores esperan probar los sensores en un entorno de modelo que simule las condiciones del mundo real. Además de detectar contaminantes ambientales, este tipo de sensor podría potencialmente usarse para aplicaciones médicas como la detección de sangrado en el tracto digestivo, dicen los investigadores.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.