Científicos desarrollan cepas de bacterias modificadas que pueden detectar contaminantes ambientales

En los últimos años, los científicos han desarrollado muchas cepas de bacterias modificadas que pueden usarse como sensores para detectar contaminantes ambientales como metales pesados. Si se implementan en el entorno natural, estos sensores podrían ayudar a los científicos a rastrear cómo cambian los niveles de contaminantes con el tiempo, en un área geográfica amplia.

Los ingenieros del MIT ahora han ideado una forma de hacer que este tipo de implementación sea más segura, al encerrar los sensores bacterianos en una capa de hidrogel resistente que evita que escapen al medio ambiente y potencialmente propaguen genes modificados a otros organismos.

“En este momento se están desarrollando muchos biosensores de células completas, pero aplicarlos en el mundo real es un desafío porque no queremos que ningún organismo modificado genéticamente pueda intercambiar material genético con microbios de tipo salvaje”, dice El estudiante graduado del MIT Tzu-Chieh Tang, uno de los autores principales del nuevo estudio.

Tang y sus colegas demostraron que podían incrustar E. coli en esferas de hidrogel, lo que les permitía detectar los contaminantes que estaban buscando mientras permanecían aislados de otros organismos. Las carcasas también ayudan a proteger los sensores del daño ambiental.

Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica del MIT, y Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y ambiental del MIT, son los autores principales del estudio, que aparece hoy en Nature Chemical Biology. . Junto con Tang, Eleonore Tham PhD’18 y la estudiante graduada del MIT Xinyue Liu también son los autores principales del artículo.

Contención física

Al diseñar bacterias para que expresen circuitos genéticos que normalmente no tienen, los investigadores pueden permitirles detectar una variedad de moléculas diferentes. A menudo, los circuitos están diseñados para que la detección del objetivo desencadene la producción de proteína verde fluorescente o bioluminiscencia. En otros circuitos, se registra un recuerdo del evento en el ADN de las células.

Los circuitos genéticos que entran en estas bacterias a menudo incluyen genes de resistencia a los antibióticos, lo que permite a los investigadores asegurarse de que su circuito genético se haya insertado correctamente en las células bacterianas. Sin embargo, esos genes podrían ser dañinos si se liberan al medio ambiente. Muchas bacterias y otros microbios pueden intercambiar genes, incluso entre diferentes especies, mediante un proceso llamado transferencia horizontal de genes.

Para tratar de prevenir este tipo de intercambio de genes, los investigadores han utilizado una estrategia llamada “contención química”, que implica diseñar los sensores bacterianos para que requieran una molécula artificial que no pueden obtener en la naturaleza. Sin embargo, en una población muy grande de bacterias, existe la posibilidad de que una pequeña cantidad adquiera mutaciones que les permitan sobrevivir sin esa molécula.

Otra opción es la contención física, que se logra al encapsular las bacterias dentro de un dispositivo que evita que se escapen. Sin embargo, los materiales que se han probado hasta ahora, como el plástico y el vidrio, no funcionan bien porque forman barreras de difusión que impiden que las bacterias interactúen con las moléculas que están diseñadas para detectar.

En este estudio, los investigadores decidieron intentar encapsular sensores bacterianos en hidrogeles. Estos son materiales elásticos que se pueden formar a partir de una variedad de bloques de construcción diferentes. Muchos hidrogeles de origen natural, como el alginato, que se deriva de las algas, son demasiado frágiles para proteger las células en un entorno exterior. Sin embargo, el laboratorio de Zhao ha desarrollado previamente algunos hidrogeles muy resistentes y elásticos, que los investigadores creían que podrían ser adecuados para encapsular bacterias.

Para hacer las esferas protectoras, los investigadores primero incorporaron bacterias en el alginato, junto con algunos nutrientes esenciales. Estas esferas se recubrieron luego con uno de los resistentes hidrogeles de Zhao, que está hecho de una combinación de alginato y poliacrilamida. Esta capa externa tiene poros que varían de 5 a 50 nanómetros de diámetro, lo que permite el paso de moléculas como azúcares o metales pesados. Sin embargo, el ADN y las proteínas más grandes no pueden atravesarlo.