Quando si tratta di testare l'acqua potabile per contaminanti pericolosi, come metalli pesanti come piombo o cadmio, è importante eseguire test continui direttamente dai rubinetti dai quali le persone bevono. Ancora, viene fatto molto poco di questo tipo di test dell'acqua. Un team della UC San Diego e la spin-out del campus Quantitative BioSciences sta lavorando per migliorare la situazione.

"L'acqua potrebbe andare bene da bere, bene da bere, va bene da bere... e poi no, ", ha affermato Natalie Cookson ('08), ex studentessa di bioingegneria della UC San Diego, mentre spiegava il valore del monitoraggio continuo dell'acqua potabile, rispetto al monitoraggio sporadico dell'acqua.

Spera che questo lavoro produca sistemi di analisi dell'acqua a prezzi accessibili che possono essere installati nei rubinetti da cui le persone effettivamente bevono. L'acqua che usciva dall'impianto di trattamento di Flint Michigan, Per esempio, non aveva livelli pericolosamente alti di piombo. Ma quando quella stessa acqua è uscita dai rubinetti dei residenti di Flint, il piombo era nell'acqua.

Un team di UC San Diego e Quantitative BioSciences ha un nuovo approccio al monitoraggio continuo della contaminazione da metalli pesanti nell'acqua potabile utilizzando i batteri come sensori di contaminazione. Il team ha recentemente pubblicato i propri progressi sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"La nostra massima priorità è fare un lavoro di cui siamo orgogliosi e che avrà un impatto, " ha detto Cookson.

Sebbene esistano alcune opzioni per l'analisi dell'acqua residenziale dei metalli pesanti, ci sono tecnici, limiti di costo e logistici che si frappongono alla diffusione, monitoraggio continuo dell'acqua del rubinetto all'interno delle abitazioni, scuole e fattorie. Il team di San Diego sta cercando di rimuovere queste barriere.

E. coli come tester dell'acqua

Il nuovo approccio al monitoraggio dell'acqua si basa su ceppi innocui di batteri E. coli per rilevare effettivamente i contaminanti di metalli pesanti. Mentre E. coli fa notizia in relazione all'intossicazione alimentare, ceppi innocui del microbo sono utilizzati nei laboratori di tutto il mondo per molti scopi di ricerca diversi.

Sono i topi da laboratorio del mondo batterico.

"Ok E. coli, " disse Nick Csicsery. "Se l'arsenico è lì e tu lo sai, Facci sapere."

A volte l'E. coli sapeva e a volte no, "a seconda del metallo, " ha spiegato Csicsery. Ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca in bioingegneria presso l'Hasty lab della UC San Diego ed è entrato a far parte di Quantitative BioSciences, dove sta lavorando allo sviluppo di tecniche di monitoraggio basate sulla biologia sintetica.

In che modo questi microbi "ci fanno sapere" della presenza di un pericoloso metallo pesante nell'acqua?

La risposta è che i genomi batterici reagiscono ai contaminanti in modi che gli umani hanno imparato a riconoscere.

"Abbiamo accesso al codice della vita che ci circonda, " disse Gregoire Thouvenin, un dottorato di ricerca in bioingegneria della UC San Diego. studente e un altro dei co-primi autori sul PNAS carta. "Quando studi i microbi, scavi più a fondo e ti rendi conto che sono più connessi a tutto il resto di quanto pensassi inizialmente."

In questo caso, sfruttare queste connessioni richiedeva ricercatori provenienti da molti campi, tra cui la bioingegneria, biologia sintetica, microfluidica, matematica e scienza dei dati per unire le forze. Il risultato è un sistema che monitora l'acqua per due settimane e riconosce quando i contaminanti nell'acqua modificano il comportamento genetico di 2, 000 diversi ceppi di batteri.

E. coli hotel

In questo sistema di analisi dell'acqua guidato dai batteri, ogni ceppo di batteri vive all'interno della propria piccola camera, e tutti e 2, 000 ceppi sono allineati nello stesso chip fatto di un materiale traslucido duro. Ci sono piccoli canali che forniscono acqua, contaminanti e cibo a ciascuna delle camere in modo controllato.

Questi 2, 000 ceppi batterici hanno ciascuno un po' di materiale genetico inserito in un piccolo pezzo circolare del suo DNA (un plasmide) che consente a un'uscita di fluorescenza di "evidenziare" l'attività di un gene specifico. Quando un contaminante dell'acqua interagisce con il gene inserito, i batteri si accendono.

Con la loro configurazione microfluidica, i ricercatori possono registrare quali ceppi si accendono quando. Questo schema di lampeggiamento viene registrato e inserito in un sistema di intelligenza artificiale. Il risultato è una capacità automatizzata di identificare quando i batteri incontrano specifici contaminanti di metalli pesanti nell'acqua, in base al modello di luci prodotte dai batteri. Dottorato in Bioingegneria lo studente Garrett Graham ha guidato la parte di data science e intelligenza artificiale del progetto. (Si è laureato e sta lavorando come analista di dati climatici presso il North Carolina Institute for Climate Studies.)

L'idea è che i sistemi vengano installati in luoghi in cui le persone effettivamente bevono acqua, per identificare l'acqua contaminata.

Mentre i ricercatori hanno scelto l'identificazione dei metalli pesanti per dimostrare la potenza e la flessibilità del loro sistema, i suoi componenti di intelligenza artificiale potrebbero essere addestrati per identificare anche altri contaminanti.

L'arte e la scienza del fare

Uno dei grandi progressi di questo progetto è stato capire come progettare, costruire ed eseguire il sistema per l'inserimento, alloggio, nutrire e tenere traccia dei 2, 000 diversi ceppi di batteri nel corso di due settimane.

Lizzy Stasiowski e Nick Csicsery hanno guidato la progettazione e la fabbricazione del sistema che consente a tutti e 2 000 ceppi di E. coli da caricare nel sistema in una sola volta.

Questo progetto fondeva l'arte e la scienza del "fare" con la biologia sintetica, analisi genomica e apprendimento automatico, creare un sistema pronto a fare del bene nel mondo.

"Una delle cose che preferisco di questo progetto è la sua versatilità. Il nostro sistema consente di monitorare i cambiamenti dinamici nell'espressione genica di migliaia di ceppi batterici contemporaneamente a qualsiasi cambiamento ambientale. È un progetto rilevante sia per l'industria che per il mondo accademico, ", ha detto Stasiowski.

Ha recentemente terminato il suo dottorato di ricerca in bioingegneria. presso la UC San Diego ed è un Vertex Pharmaceuticals Fellow a San Diego che si occupa di ricerca e sviluppo di strumentazione.

"Anche se trovo interessante l'attenzione ai metalli pesanti in termini di un'attenta verifica del concetto, Sono molto entusiasta della tecnologia come strumento di screening per ricercatori e aziende che si concentrano sulla biologia sintetica, "ha detto Jeff Hasty, un professore di bioingegneria e biologia della UC San Diego che è l'autore senior del documento PNAS. "La tecnologia è ben posizionata per la scoperta di geni che rispondono a segnali complessi che si trovano nelle applicazioni mediche e ambientali".

Utilizzato come strumento di screening, la combinazione unica di microfluidica e intelligenza artificiale della piattaforma potrebbe aiutare a gettare nuova luce sui meccanismi che consentono alle cellule di interpretare e reagire ai cambiamenti degli ambienti, e consentire la sperimentazione di ceppi sintetici progettati per interagire con l'ambiente in modi nuovi. Le tecniche di screening esistenti raramente hanno sia la risoluzione temporale che il throughput necessari per farlo. Quindi la piattaforma ha il potenziale per essere di grande valore sia per i biologi sintetici (che progettano e implementano nuove funzioni nelle cellule viventi) sia per i biologi dei sistemi (che costruiscono modelli completi di tutte le reazioni che si verificano in una cellula).

Thouvenin divenne un po' più filosofico. "Gli esseri viventi intorno a noi sono malleabili e sono stati splendidamente modellati e realizzati dall'evoluzione nel corso di milioni di anni. E ora abbiamo accesso a questo, sia in termini di comprensione, riproponendolo, e infine ottimizzandolo per un mondo che cambia."