Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato molti ceppi di batteri ingegnerizzati che possono essere utilizzati come sensori per rilevare contaminanti ambientali come i metalli pesanti. Se distribuito nell'ambiente naturale, questi sensori potrebbero aiutare gli scienziati a monitorare come i livelli di inquinanti cambiano nel tempo, su una vasta area geografica.

Gli ingegneri del MIT hanno ora escogitato un modo per rendere più sicuro questo tipo di distribuzione, racchiudendo i sensori batterici in un robusto guscio di idrogel che impedisce loro di fuggire nell'ambiente e potenzialmente di diffondere geni modificati ad altri organismi.

"In questo momento ci sono molti biosensori a cellule intere in fase di sviluppo, ma applicarli nel mondo reale è una sfida perché non vogliamo che nessun organismo geneticamente modificato sia in grado di scambiare materiale genetico con microbi di tipo selvatico, " dice lo studente laureato del MIT Tzu-Chieh Tang, uno degli autori principali del nuovo studio.

Tang e i suoi colleghi hanno dimostrato di poter incorporare E. coli in sfere di idrogel, consentendo loro di rilevare i contaminanti che stanno cercando rimanendo isolati da altri organismi. I gusci aiutano anche a proteggere i sensori dai danni ambientali.

Timoteo Lu, un professore associato del MIT di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria biologica, e Xuanhe Zhao, un professore del MIT di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale, sono gli autori senior dello studio, che appare oggi in Natura chimica biologia . Insieme a Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 e lo studente laureato del MIT Xinyue Liu sono anche autori principali del documento.

Contenimento fisico

Ingegnerizzando i batteri per esprimere circuiti genetici che normalmente non hanno, i ricercatori possono consentire loro di rilevare una varietà di molecole diverse. Spesso, i circuiti sono progettati in modo tale che il rilevamento del bersaglio inneschi la produzione di proteina fluorescente verde o bioluminescenza. In altri circuiti, un ricordo dell'evento è registrato nel DNA delle cellule.

I circuiti genetici che entrano in questi batteri spesso includono geni per la resistenza agli antibiotici, che consente ai ricercatori di garantire che il loro circuito genetico sia stato correttamente inserito nelle cellule batteriche. Però, quei geni potrebbero essere dannosi se rilasciati nell'ambiente. Molti batteri e altri microbi sono in grado di scambiare geni, anche tra specie diverse, utilizzando un processo chiamato trasferimento genico orizzontale.

Per cercare di prevenire questo tipo di scambio genico, i ricercatori hanno utilizzato una strategia chiamata "contenimento chimico, " che prevede la progettazione dei sensori batterici in modo che richiedano una molecola artificiale che non possono ottenere in natura. Tuttavia, in una popolazione molto ampia di batteri, c'è la possibilità che un piccolo numero acquisisca mutazioni che consentano loro di sopravvivere senza quella molecola.

Un'altra opzione è il contenimento fisico, ottenuto incapsulando i batteri all'interno di un dispositivo che ne impedisce la fuga. Però, i materiali che sono stati provati finora, come plastica e vetro, non funzionano bene perché formano barriere alla diffusione che impediscono ai batteri di interagire con le molecole che sono progettate per rilevare.

In questo studio, i ricercatori hanno deciso di provare a incapsulare i sensori batterici negli idrogel. Questi sono materiali elastici che possono essere formati da una varietà di diversi elementi costitutivi. Molti idrogel presenti in natura, come l'alginato, che deriva dalle alghe, sono troppo fragili per proteggere le cellule in un ambiente esterno. Però, Il laboratorio di Zhao ha precedentemente sviluppato alcuni molto difficili, idrogel elastici, che i ricercatori credevano potesse essere adatto per incapsulare i batteri.

Per realizzare le sfere protettive, i ricercatori hanno prima incorporato i batteri nell'alginato, insieme ad alcuni nutrienti essenziali. Queste sfere sono state poi rivestite con uno degli idrogel resistenti di Zhao, che è costituito da una combinazione di alginato e poliacrilammide. Questo strato esterno ha pori che vanno da 5 a 50 nanometri di diametro, che consente il passaggio di molecole come zuccheri o metalli pesanti. Però, Il DNA e le proteine ​​più grandi non possono passare.

Rilevamento dell'inquinamento

Le sfere che i ricercatori hanno costruito per questo studio hanno un diametro di circa 5 millimetri e possono trasportare fino a 1 miliardo di cellule batteriche. I ricercatori hanno usato le sfere per incapsulare i batteri di E. coli progettati per rilevare cadmio, un metallo pesante.

Per testare i sensori, i ricercatori li hanno inseriti in campioni d'acqua raccolti dal fiume Charles. Per determinare se i sensori potrebbero rilevare gli inquinanti dall'interno delle loro sfere, i ricercatori hanno aggiunto cadmio ai campioni e hanno scoperto che i batteri potevano rilevarlo con precisione. I ricercatori hanno anche dimostrato che i batteri non sono fuggiti dalla sfera né hanno perso materiale genetico.

I ricercatori hanno dimostrato che la loro tecnica di incapsulamento ha funzionato anche con un diverso ceppo di E. coli progettato per dipendere da una molecola artificiale, un amminoacido non presente in natura.

"Stiamo cercando di trovare una soluzione per vedere se possiamo combinare il contenimento chimico e fisico. In questo modo, se uno dei due ha fallito, l'altro può tenere le cose sotto controllo, "dice Tang.

Negli studi futuri, i ricercatori sperano di testare i sensori in un ambiente modello che simulerebbe le condizioni del mondo reale. Oltre a rilevare i contaminanti ambientali, questo tipo di sensore potrebbe essere potenzialmente utilizzato per applicazioni mediche come il rilevamento di emorragie nel tratto digestivo, dicono i ricercatori.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.