Un "genio" genetico sviluppato dagli scienziati della Rice University fornisce ai ricercatori dati preziosi sui microbi attraverso sbuffi di gas dal suolo. L'ultima versione è un robusto sensore microbico a due stadi che aiuterà i bioingegneri, geobiologi e altri ricercatori osservano l'espressione genica e la biodisponibilità dei nutrienti in facsimili di laboratorio di ambienti come suolo e sedimenti senza disturbarli.

Il gas è prodotto da microbi geneticamente modificati per riferire sia sul loro ambiente che sull'attività e miscelato in campioni di suolo in esperimenti di laboratorio contenuti. Un gas che fuoriesce dice ai ricercatori quanti dei microbi bersaglio sono presenti e un secondo gas dice ai ricercatori cosa stanno facendo i microbi. Infine, il team di Rice vorrebbe che i microbi programmati rivelassero se e come comunicano tra loro.

I dettagli sui sensori appaiono nella rivista dell'American Chemical Society Biologia sintetica ACS .

La ricerca in corso è iniziata nel 2015 con una sovvenzione di 1 milione di dollari da parte del W.M. Keck Foundation ed è guidata dal biologo sintetico della Rice Jonathan Silberg, la biogeochimica Caroline Masiello e la studentessa laureata e autrice principale Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Il loro obiettivo è stato quello di misurare la bioattività in ambienti opachi, specialmente quelli in cui cambiare l'ambiente altererebbe i risultati.

Silberg ha detto che i nuovi microbi che emettono gas funzionano secondo lo stesso principio di quelli che contengono due proteine ​​fluorescenti; Per esempio, una proteina fluorescente verde taggherebbe tutte le cellule in un piatto e una rossa si illuminerebbe quando innescata da un'attività microbica, come l'espressione proteica o la vicinanza di una molecola specifica.

"In quei sistemi, puoi controllare il rapporto tra verde e rosso e sapere, in media, cosa stanno facendo le cellule, " ha detto. "Ma questo non funziona nei terreni."

Attualmente, i ricercatori misurano l'attività microbica nel suolo macinando i campioni e utilizzando processi come la cromatografia liquida ad alte prestazioni per quantificarne il contenuto. Ciò non solo elimina l'opportunità di studiare lo stesso campione nel tempo, limita anche la portata dei dati.

"Il nostro sistema risponde alla domanda giusta, " disse Masiello. "I microbi sanno che questi composti sono presenti, e cosa stanno facendo in risposta a loro?"

Nel sistema raziometrico del laboratorio di riso, gas che emergono da modificati E. coli o altri microbi potrebbero aiutare gli scienziati a misurare lo sviluppo del suolo. Rapporto-metrico significa che l'uscita del gas è direttamente proporzionale all'ingresso, in questo caso il livello di attività percepita dal microbo.

In una prova, E. coli è stato modificato per esprimere enzimi che sintetizzano etilene e bromometano. Il batterio produceva continuamente etilene, che ha permesso ai ricercatori di monitorare la dimensione della popolazione microbica, ma produce bromometano solo quando viene attivato da, in questo caso, la biodisponibilità dei lattoni acilomoserina (AHL), molecole che facilitano la segnalazione tra i batteri.

Dopo che Cheng ha messo il E. coli nel terreno agricolo e impostare la temperatura per massimizzare i segnali di gas, ha scoperto che l'aggiunta di AHL a catena corta e lunga non ha influito sulla produzione di etilene, ma ha influito notevolmente sul bromometano. La più alta concentrazione di AHL a catena corta ha aumentato il segnale del bromometano più di un ordine di grandezza, e AHL a catena lunga quasi due ordini di grandezza.

Test con un altro batterio, Shewanella, il cui habitat naturale è un sedimento, hanno mostrato risultati altrettanto robusti. "La gamma dinamica per il rilevamento di sostanze chimiche con ciò che Shelly ha costruito è molto buona, " Disse Silberg. "Varia con l'organismo, ma la biologia sintetica riguarda davvero la messa a punto di tutto questo".

"L'aspetto particolarmente utile di questo lavoro è il potenziale per distinguere tra ciò che è chimicamente estraibile in un ambiente marino o del suolo e ciò che un microbo percepisce è lì, Masiello ha detto. "Solo perché possiamo macinare un terreno e misurare qualcosa non significa che piante o microbi sappiano cosa c'è lì. Questi strumenti sono ciò di cui abbiamo bisogno per essere in grado di, per la prima volta, misurare la percezione microbica del loro ambiente."

I microbi modificati sono pensati per essere utilizzati per i test di laboratorio e non in natura. Ma i test sarebbero molto più veloci dei processi attuali e consentirebbero ai laboratori di monitorare un campione continuamente nel tempo. I ricercatori anticipano le applicazioni non solo nella biologia sintetica e nelle scienze ambientali, ma anche per monitorare il destino ambientale dei batteri intestinali sviluppati per la diagnostica e la terapia.

Andando avanti, il laboratorio Rice intende concentrare i propri sforzi sulla parte di output condizionale del sensore. "Mentre abbiamo costruito questo, persone come (il bioscienziato del riso) Jeff Tabor e altri stanno standardizzando i moduli di rilevamento, " Ha detto Silberg. "Stiamo costruendo nuovi moduli di output che potresti poi accoppiare alla grande varietà di sensori che stanno costruendo.

"Shelly ha davvero aperto la strada per dimostrare che possiamo fare rapporti sul gas, e lei fu la prima a farlo nei terreni, " ha detto. "Ha poi mostrato che potevamo farlo con il trasferimento genico orizzontale come parte della nostra prova di concetto, e ora questo. Gli strumenti ci stanno appena arrivando, e penso che le applicazioni saranno le prossime".