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一種更安全的將細(xì)菌作為環(huán)境傳感器的方法
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/4/13

麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種將細(xì)菌傳感器封裝到堅(jiān)硬的水凝膠球體中的方法,以防止它們與環(huán)境中的其他微生物相互作用。圖片來源:麻省理工學(xué)院的Christine Daniloff


近年來,科學(xué)家開發(fā)了許多工程菌菌株,可用作檢測(cè)環(huán)境污染物(例如重金屬)的傳感器。如果部署在自然環(huán)境中,這些傳感器可以幫助科學(xué)家追蹤污染物水平在整個(gè)地理區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間的變化。


麻省理工學(xué)院的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法,可以通過將細(xì)菌傳感器包裹在堅(jiān)固的水凝膠殼中來使其更安全,以防止細(xì)菌逃逸到環(huán)境中,并避免將修飾的基因傳播給其他生物。


“目前正在開發(fā)許多全細(xì)胞生物傳感器,但是在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用它們是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)槲覀儾幌M魏无D(zhuǎn)基因生物能夠與野生型微生物交換遺傳物質(zhì),”麻省理工學(xué)院的研究生Tzu-Chieh Tang,這項(xiàng)新研究的主要作者之一。


湯和他的同事表明,他們可以將大腸桿菌嵌入水凝膠球體中,從而使他們能夠在尋找所需污染物的同時(shí)保持與其他生物的隔離。外殼還有助于保護(hù)傳感器免受環(huán)境損害。


麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物工程學(xué)副教授蒂莫西·盧(Timothy Lu)和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程與土木與環(huán)境工程學(xué)教授趙選河是該研究的高級(jí)作者,該研究今天發(fā)表在《自然化學(xué)生物學(xué)》上。與Tang一起的Eleonore Tham博士 '18和麻省理工學(xué)院研究生劉欣悅(Yinyue Liu)也是該論文的主要作者。


物理遏制

通過對(duì)細(xì)菌進(jìn)行改造以表達(dá)它們通常不具備的遺傳回路,研究人員可以使它們能夠檢測(cè)各種不同的分子。通常,對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)以使對(duì)靶標(biāo)的檢測(cè)觸發(fā)綠色熒光蛋白的產(chǎn)生或生物發(fā)光。在其他電路中,事件的記憶記錄在細(xì)胞的DNA中。


這些細(xì)菌的遺傳回路通常包含抗生素抗性基因,這使研究人員能夠確保其遺傳回路已正確插入細(xì)菌細(xì)胞中。但是,這些基因如果釋放到環(huán)境中可能會(huì)有害。許多細(xì)菌和其他微生物甚至可以使用稱為水平基因轉(zhuǎn)移的過程在不同物種之間交換基因。


為了試圖防止這種基因交換,研究人員使用了一種稱為“化學(xué)遏制”的策略,該策略涉及設(shè)計(jì)細(xì)菌傳感器,以便他們需要一種無法在野外獲得的人工分子。但是,在非常多的細(xì)菌種群中,少數(shù)細(xì)菌有可能獲得突變,使它們?cè)跊]有該分子的情況下仍能生存。


另一種選擇是通過將細(xì)菌封裝在防止細(xì)菌逸出的設(shè)備中來實(shí)現(xiàn)物理隔離。但是,到目前為止,已嘗試使用的材料(例如塑料和玻璃)效果不佳,因?yàn)樗鼈儠?huì)形成擴(kuò)散屏障,從而阻止細(xì)菌與他們?cè)O(shè)計(jì)用來檢測(cè)的分子發(fā)生相互作用。


在這項(xiàng)研究中,研究人員決定嘗試將細(xì)菌傳感器封裝在水凝膠中。這些是可拉伸的材料,可以由多種不同的構(gòu)造塊形成。許多天然存在的水凝膠(例如藻類衍生的藻酸鹽)太脆弱,無法在室外環(huán)境中保護(hù)細(xì)胞。但是,趙的實(shí)驗(yàn)室以前已經(jīng)開發(fā)出了一些非常堅(jiān)韌的,可拉伸的水凝膠,研究人員認(rèn)為這些水凝膠可能適合封裝細(xì)菌。


為了制作保護(hù)球,研究人員首先將細(xì)菌和一些必需營(yíng)養(yǎng)素嵌入藻酸鹽中。然后將這些球體涂以趙氏堅(jiān)韌的水凝膠之一,該水凝膠由藻酸鹽和聚丙烯酰胺的組合制成。該外層具有直徑為5至50納米的孔,這些孔使諸如糖或重金屬之類的分子能夠通過。但是,DNA和較大的蛋白質(zhì)無法通過。


檢測(cè)污染

研究人員為這項(xiàng)研究構(gòu)建的球體直徑約為5毫米,可以攜帶多達(dá)10億個(gè)細(xì)菌細(xì)胞。研究人員使用這些球囊封裝了旨在檢測(cè)??重金屬鎘的大腸桿菌。


為了測(cè)試傳感器,研究人員將它們放入了從查爾斯河收集的水樣中。為了確定傳感器是否可以檢測(cè)到其球體內(nèi)部的污染物,研究人員在樣品中添加了鎘,并發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出污染物。研究人員還表明,細(xì)菌沒有從球體中逸出或泄漏任何遺傳物質(zhì)。


研究人員證明,他們的封裝技術(shù)還可以與另一種大腸桿菌菌株一起使用,該菌株被設(shè)計(jì)為依賴人工分子-一種自然界中不存在的氨基酸。


湯說:“我們正在嘗試提出一種解決方案,以查看我們是否可以將化學(xué)和物理遏制相結(jié)合。這樣,如果其中任何一個(gè)發(fā)生故障,另一個(gè)就可以進(jìn)行檢查!


在未來的研究中,研究人員希望在模擬真實(shí)環(huán)境的模型環(huán)境中測(cè)試傳感器。研究人員說,除了檢測(cè)環(huán)境污染物外,這種類型的傳感器還可以用于醫(yī)療應(yīng)用,例如檢測(cè)消化道出血。


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