将细菌部署为环境传感器的更安全方法

近年来,科学家开发了许多工程菌菌株,可用作检测环境污染物(例如重金属)的传感器。如果部署在自然环境中,这些传感器可以帮助科学家追踪污染物水平在整个地理区域内随时间的变化。

麻省理工学院的工程师们现在已经设计出一种方法,可以通过将细菌传感器封装在坚固的水凝胶壳中来使其更安全,以防止细菌逃逸到环境中,并避免将修饰的基因传播给其他生物。

“目前正在开发许多全细胞生物传感器,但是在现实世界中应用它们是一个挑战,因为我们不希望任何转基因生物能够与野生型微生物交换遗传物质,”他说。麻省理工学院的研究生Tzu-Chieh Tang,这项新研究的主要作者之一。

汤和他的同事表明,他们可以将大肠杆菌嵌入水凝胶球体中,从而使他们能够在寻找所需污染物的同时保持与其他生物的隔离。外壳还有助于保护传感器免受环境损害。

麻省理工学院电气工程与计算机科学与生物工程学副教授蒂莫西·卢(Timothy Lu)和麻省理工学院机械工程与土木与环境工程学教授赵选河是该研究的高级作者,该研究今天发表在《自然化学生物学》上。与Tang一起的Eleonore Tham博士 '18和麻省理工学院研究生刘欣悦(Yinyue Liu)也是该论文的主要作者。

物理遏制

通过对细菌进行改造以表达它们通常不具备的遗传回路,研究人员可以使它们能够检测各种不同的分子。通常,对电路进行设计以使对靶标的检测触发绿色荧光蛋白的产生或生物发光。在其他电路中,事件的记忆记录在细胞的DNA中。

这些细菌的遗传回路通常包含抗生素抗性基因,这使研究人员能够确保其遗传回路已正确插入细菌细胞中。但是,这些基因如果释放到环境中可能会有害。许多细菌和其他微生物能够使用称为水平基因转移的过程,甚至在不同物种之间交换基因。

为了试图防止这种基因交换,研究人员使用了一种称为“化学遏制”的策略,该策略涉及设计细菌传感器,以便他们需要一种无法在野外获得的人工分子。但是,在非常多的细菌种群中,少数细菌有可能获得突变,使它们在没有该分子的情况下仍能生存。

另一种选择是通过将细菌封装在防止细菌逸出的设备中来实现物理隔离。但是,到目前为止,已尝试使用的材料(例如塑料和玻璃)效果不佳,因为它们会形成扩散屏障,从而阻止细菌与设计用来检测的分子发生相互作用。

在这项研究中,研究人员决定尝试将细菌传感器封装在水凝胶中。这些是可拉伸的材料,可以由多种不同的构造块形成。许多天然存在的水凝胶(例如藻类衍生的藻酸盐)太脆弱,无法在室外环境中保护细胞。但是,赵的实验室以前已经开发出了一些非常坚韧的,可拉伸的水凝胶,研究人员认为这些水凝胶可能适合封装细菌。

为了制作保护球,研究人员首先将细菌和一些必需营养素嵌入藻酸盐中。然后将这些球体涂以赵氏坚韧的水凝胶之一,该水凝胶由藻酸盐和聚丙烯酰胺的组合制成。该外层具有直径为5到50纳米的孔,这些孔使诸如糖或重金属之类的分子能够通过。但是,DNA和较大的蛋白质无法通过。

检测污染

研究人员为这项研究构建的球体直径约为5毫米,可以携带多达10亿个细菌细胞。研究人员使用这些球囊封装了旨在检测​​重金属镉的大肠杆菌。

为了测试传感器,研究人员将它们放入了从查尔斯河收集的水样中。为了确定传感器是否可以检测到其球体内部的污染物,研究人员在样品中添加了镉,并发现细菌可以准确地检测出污染物。研究人员还表明,细菌没有从球体中逸出或泄漏任何遗传物质。

研究人员证明,他们的封装技术还可以与另一种大肠杆菌菌株一起使用,该菌株被设计为依赖人工分子-一种自然界中不存在的氨基酸。

汤说:“我们正在试图提出一种解决方案,以查看我们是否可以将化学和物理遏制相结合。这样,如果其中任何一个发生故障,另一个就可以进行检查。”

在未来的研究中,研究人员希望在模拟真实环境的模型环境中测试传感器。研究人员说,除了检测环境污染物外,这种类型的传感器还可以用于医疗应用,例如检测消化道出血。

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