I microbi come i batteri non sono abbastanza coscienti per formare ricordi, ma un gruppo di scienziati in Texas ha sviluppato un nuovo modo per farlo a livello genetico.

I ricercatori riferiscono di aver ingegnerizzato con successo i microbi per riferire sui loro ambienti e formare "ricordi" genetici dell'evento. È uno strumento che potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio il ciclo chimico sulla Terra e come i microbi condividono tra loro informazioni come la resistenza agli antibiotici, secondo i ricercatori.

"Speriamo che questo aiuti a favorire la collaborazione tra biologi sintetici e microbiologi, " ha detto Emily Fulk, una studentessa laureata alla Rice University in Texas e che ha presentato il suo lavoro preliminare all'American Geophysical Union Fall Meeting 2017 a New Orleans. "Sono davvero entusiasta di iniziare effettivamente ad applicare questo."

Fulk lavora con i batteri del suolo, microbi che svolgono un ruolo importante nella decomposizione degli organismi morti e nel "fissare" l'azoto dall'atmosfera in forme utilizzabili da piante e animali. Molte domande rimangono senza risposta su questi batteri, compreso il modo in cui rispondono a condizioni ambientali come siccità o fertilizzanti eccessivi. Rispondere a queste domande richiede lunghi periodi e un monitoraggio costante che sono impraticabili con i metodi attuali, così Fulk si rivolse alla biologia sintetica.

I biologi hanno precedentemente modificato i geni all'interno del plasmide di un microbio, il suo cromosoma circolare di DNA, inserendo un gene specifico che si attiva in presenza di una sostanza chimica di interesse. Per di qua, il microbo produce un segnale in risposta a uno stimolo ambientale.

Ricercatori interessati a rilevare i nitrati ambientali, molecole presenti nei fertilizzanti, Per esempio, potrebbe inserire un gene sensibile ai nitrati nel plasmide del microbo. Quindi, quando il microbo rileva i nitrati nell'ambiente circostante, attiva il gene per produrre un segnale o "rapporto" agli scienziati.

"Puoi immaginarlo come un interruttore della luce e una lampadina, dove il sensore è come l'interruttore della luce e segnala la lampadina, " disse Fulk. "Puoi guardare la lampadina, o segnale prodotto, e dire, 'OK, se vediamo che la luce è accesa, sappiamo che l'interruttore è stato attivato.'"

Tradizionalmente, l'analogia con la luce era letterale:i microbi erano progettati per brillare o emettere fluorescenza quando rilevavano una specifica sostanza chimica. Ma nel suolo, vedere la fluorescenza si rivela difficile. Anziché, Fulk e i suoi colleghi hanno sviluppato microbi che segnalano la produzione di un gas.

Che ha ancora lasciato una sfida eccezionale, anche se. Per produrre un segnale, i microbi devono essere vivi, e poiché la maggior parte dei microbi vive solo nell'ordine di diverse ore, la loro relazione è di breve durata.

Fulk ha risolto il problema portando i microbi geneticamente modificati un ulteriore passo avanti. Ha progettato un microbo che non solo poteva produrre un gas in risposta a un segnale chimico, ma ricordava anche che aveva prodotto il segnale del gas molto tempo dopo che la sostanza chimica attivante era scomparsa e il microbo era morto. In altre parole, lo ha progettato per avere una memoria.

"Usando la memoria, ora possiamo dire, 'Incubare i nostri microbi per una settimana, un mese, o una stagione, ' e poi alla fine guarda i microbi e guarda cosa hanno visto durante l'intero periodo piuttosto che solo in un momento specifico, " disse Folco.

In un design intelligente, Fulk ha inserito qualcosa di mai fatto prima:sensore "interruttore della luce" separato e geni reporter "lampadina". Nella sua configurazione, il gene reporter deve essere modificato prima che possa produrre il suo segnale gassoso. Il gene dell'interruttore della luce, attivato quando il microbo mangia lo zucchero arabinosio, codifica per un enzima in grado di modificare il gene reporter. Una volta attivato il gene dell'interruttore della luce, modifica e attiva il gene reporter, e il microbo produce un gas.

La modifica al gene reporter non può essere invertita, però, quindi il microbo mantiene una "memoria" genetica della rilevazione. Gli scienziati possono successivamente cercare questo cambiamento genetico poco dopo che il microbo è stato esposto alla sostanza chimica o molto tempo dopo la morte del microbo.

"Sono spazzato via da questo ogni giorno, " Fulk ha detto. "Siamo davvero entusiasti di aver risolto i dadi e i bulloni".

La nuova ricerca preannuncia ciò che Fulk si aspetta sarà una lunga serie di applicazioni future. L'inserimento di rilevatori sensibili a sostanze chimiche rilevanti per l'ambiente può rispondere a domande di vecchia data per gli ecologisti del suolo e dei microbi, lei disse.

"L'idea è se possiamo rendere questo un sistema plug-and-play di tipo Lego, dove scegli il tuo giornalista, la tua "memoria, ' la tua sostanza chimica desiderata da percepire, e il tuo ospite microbico, quindi può essere personalizzato per aiutare a rispondere a qualsiasi domanda tu voglia, " disse Folco.

"A volte è possibile rilevare materiali non rilevabili con questi microbi, " disse Caroline Masiello, il ricercatore principale del gruppo di ricerca della Rice University. I ricercatori potrebbero utilizzare il metodo per studiare aspetti poco compresi del ciclo dello zolfo o della produzione batterica di metano, lei disse. Ma mentre eccitante, l'applicazione diretta nell'ambiente sembra improbabile.

Per adesso, Fulk e i suoi colleghi stanno lavorando con ingegneri ambientali per studiare come si trasferisce la resistenza agli antibiotici tra i microbi nei centri di trattamento delle acque reflue e negli ambienti del suolo. Costruendo un microbo donatore con un gene dell'interruttore della luce e un microbo ricevitore con il gene della lampadina, potrebbero determinare quando i geni si uniscono per produrre una "memoria". E sapendo che, a sua volta, li aiuterà a identificare le "spie" microbiche che potrebbero usare in futuro, disse Folco.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di AGU Blogs (http://blogs.agu.org), una comunità di blog di scienze della Terra e dello spazio, ospitato dall'American Geophysical Union. Leggi la storia originale qui.