Группа профессора Кэролайн Аджо-Франклин из Университета Райса, работая в сотрудничестве с исследователями из Университета Тафтса и Медицинского колледжа Бейлора, недавно разработала гибкую биоэлектрическую сенсорную систему, называемую электроактивной системой совместного культивирования (e-COSENS). Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.
«Биоэлектрическое зондирование — отнюдь не новая концепция, — говорит Аджо-Франклин, профессор бионаук имени Ральфа и Дороти Луни и ведущий автор статьи. — Но e-COSENS — это первая система, которая позволяет нам легко проектировать биоэлектронные датчики модульным способом, подобно сборке конструктора Lego, что потенциально позволяет использовать их для мониторинга всего, от здоровья человека до загрязняющих веществ в окружающей среде».
Для биоэлектрического зондирования необходимы бактерии, вырабатывающие электричество и легко поддающиеся манипуляциям, позволяющие исследователям настраивать их на различные вещества.
В идеале бактерии должны уметь жить в самых разных местах, чтобы систему можно было использовать в средах, начиная от рек и заканчивая молоком.
Задача заключалась в поиске бактерий, отвечающих всем трем условиям. Например, кишечную палочку (E. coli) легко модифицировать, но она не производит электричество. А вот L. plantarum, распространенная пищевая бактерия, производит электричество, используя молекулу под названием хинон, но ее невероятно сложно модифицировать.
«Вместо того чтобы заставлять одну бактерию делать все, мы разделили задачу между двумя бактериями. Именно такое разделение труда делает e-COSENS таким гибким и мощным», — сказал Силян Ли, первый автор этого исследования и научный сотрудник.
Ключевым элементом e-COSENS является хинон — молекула, которую L. plantarum использует для выработки электричества. L. plantarum не может производить собственный хинон; он должен поступать из окружающей среды. Это означает, что хинон может использоваться в качестве сигнала или триггера для включения или выключения электричества.
Исследователи показали, что они могут легко манипулировать бактериями, такими как кишечная палочка (E. coli), — настоящими «рабочими лошадками» биоинженерии, — чтобы те производили хинон только в присутствии определенного вещества, называемого аналитом. После того как кишечная палочка выделяла хинон в окружающую среду, бактерия L. plantarum использовала его для передачи электрического сигнала, который можно было считать с помощью электрода — в данном случае, амперметра.
Для проверки этой системы исследователи разработали системы для поиска четырех различных аналитов в четырех разных средах. Они использовали кишечную палочку (E. coli) для определения ионов тяжелых металлов в воде из протоки и маркеров воспаления в искусственной слюне, а также L. lactis, другую бактерию, продуцирующую хиноны, для определения антимикробных пептидов в образцах фекалий человека, предоставленных Университетом Бейлора, и антибиотика в молоке из продуктового магазина. Они поместили каждый образец и бактериальную систему в отдельные реакторы, подключенные к измерителям тока. В течение нескольких часов все четыре измерителя тока показали электрический заряд, что свидетельствовало о том, что бактерии реагировали на аналиты — некоторые всего за 20 минут.
Все четыре версии системы оказались успешными, но используемые ими крупные реакторы было бы сложно перенести из лаборатории на открытый воздух. К счастью, их коллеги из Университета Тафтса нашли решение: компактный электронный диск размером примерно с монету в четверть доллара, который можно сопрягать с имеющимися в продаже цифровыми мультиметрами.
«Упрощенное оборудование значительно снижает барьер для использования биоэлектронных датчиков вне лаборатории и открывает возможности для недорогой диагностики, готовой к применению в полевых условиях», — сказал Ли. Исследователи также выявили множество других бактерий, которые могут либо передавать, либо принимать хиноновый сигнал, что увеличивает число возможных сред, в которых можно использовать e-COSENS.
«Сила e-COSENS заключается в гибкости, достигаемой за счет распределения работы между несколькими клетками. Таким же образом успех этого исследования зависел от обмена опытом и результатами работы между моей исследовательской группой и нашими партнерами: Дуолонгом Чжу и Робертом Бриттоном из Университета Бейлора, а также Кунданом Саха и Самиром Сонкусале из Университета Тафтса», — отметила Аджо-Франклин, директор Института синтетической биологии Райса, который занимается поддержкой междисциплинарных исследований.
Источник: Rice University. Автор: Рэйчел Лисон.
На фото: Силян Ли работает с установкой e- COSENS. Автор фото: Джаред Джонс/Университет Райса.
