Sensores bioelectrónicos vivos conectados a IoT pueden ayudar a la detección precoz de incidentes como, por ejemplo, un derrame químico vertido a un río antes de que sea demasiado tarde para el medioambiente o la salud.
Así lo refleja una reciente publicación en Nature de un estudio dirigido por los biólogos sintéticos Caroline Ajo-Franklin y Jonathan (Joff) Silberg y los autores principales Josh Atkinson y Lin Su, ambos alumnos de Rice, que explica como el equipo de la Universidad de Rice ha diseñado bacterias para detectar e informar rápidamente sobre la presencia de una variedad de contaminantes.
Detección bioelectrónica en tiempo real de contaminantes ambientales
El estudio Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants muestra que las células se pueden programar para identificar invasores químicos e informar en cuestión de minutos mediante la liberación de una corriente eléctrica detectable.
Dichos dispositivos «inteligentes» podrían alimentarse a sí mismos mediante la recolección de energía en el medio ambiente mientras monitorean las condiciones en entornos como ríos, granjas, industrias y plantas de tratamiento de aguas residuales y para garantizar la seguridad del agua, según los investigadores.
La información ambiental comunicada por estas bacterias autorreplicantes se puede personalizar reemplazando una sola proteína en la cadena de transporte de electrones sintética de ocho componentes que da lugar a la señal del sensor.
Los dispositivos tipo disco diseñados por científicos e ingenieros de la Universidad de Rice contienen multitud de bacterias programables que pueden detectar contaminantes e informar su presencia en tiempo real. Las bacterias liberan una señal eléctrica cuando se activan. (Crédito: Brandon Martin/Universidad Rice)
«Creo que es la vía proteica más compleja para la señalización en tiempo real que se ha construido hasta la fecha», dijo Silberg, director de Ph.D. en Biología Física y Sintética de Sistemas de Rice. “En pocas palabras, imagine un cable que dirige los electrones para que fluyan desde una sustancia química celular a un electrodo, pero hemos roto el cable por la mitad. Cuando la molécula objetivo golpea, se vuelve a conectar y electrifica el camino completo”.
“Es literalmente un interruptor eléctrico en miniatura”
“Pones las sondas en el agua y mides la corriente” —explica Ajo-Franklin— «Es así de simple. Nuestros dispositivos son diferentes porque los microbios están encapsulados. No los estamos liberando en el medio ambiente”.
La bacteria de prueba de concepto de los investigadores fue Escherichia coli, y su primer objetivo fue el tiosulfato, un agente de dicloración utilizado en el tratamiento del agua que puede causar la proliferación de algas. Y había fuentes de agua convenientes para analizar: la playa de Galveston y los pantanos Brays y Buffalo de Houston .
Recogieron agua de cada uno. Al principio, conectaron su E. coli a los electrodos, pero los microbios se negaron a quedarse. “No se adhieren naturalmente a un electrodo”, dijo Ajo-Franklin. «Estamos usando cepas que no forman biopelículas, por lo que cuando agregamos agua, se caen». Cuando eso sucedió, los electrodos emitieron más ruido que señal.
Después, encapsularon sensores en agarosa en forma de piruleta que permitía la entrada de contaminantes pero mantenía los sensores en su lugar, reduciendo el ruido. Para ello reclutaron al coautor Xu Zhang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin,
Xu Zhang, investigador postdoctoral en la Universidad de Rice, extrae una muestra de agua del Buffalo Bayou de Houston para analizarla con microbios vivos diseñados para detectar contaminantes. Cuando los microbios encuentran evidencia de un contaminante objetivo, liberan una señal eléctrica que se puede leer casi de inmediato. (Crédito: Brandon Martin/Universidad Rice)
“La experiencia de Xu es en ingeniería ambiental”, dijo Ajo-Franklin. “Ella no entró y dijo: ‘Oh, tenemos que arreglar la biología’, sino que dijo: ‘¿Qué podemos hacer con los materiales?’ Se necesitó un gran trabajo innovador en el lado de los materiales para que la biología sintética brillara”.
Con las restricciones físicas establecidas, los laboratorios primero codificaron E. coli para expresar una vía sintética que solo genera corriente cuando encuentra tiosulfato.
Este sensor vivo pudo detectar este químico a niveles inferiores a 0,25 milimoles por litro, mucho más bajos que los niveles tóxicos para los peces.
En otro experimento, se recodificó E. coli para detectar un disruptor endocrino. Esto también funcionó bien, y las señales mejoraron mucho cuando las nanopartículas conductoras sintetizadas a medida por Su se encapsularon con las células en la piruleta de agarosa. Los investigadores informaron que estos sensores encapsulados detectan este contaminante hasta 10 veces más rápido que los dispositivos de última generación anteriores.
Caroline Ajo-Franklin y Joff Silberg , biólogos sintéticos de la Universidad de Rice, y sus laboratorios, han desarrollado bacterias programables que detectan contaminantes y liberan una señal electrónica en tiempo real. (Crédito: Brandon Martin/Universidad Rice)
El estudio comenzó por casualidad cuando Atkinson y Moshe Baruch del grupo de Ajo-Franklin en el Laboratorio Nacional Berkeley Lawrence se instalaron uno al lado del otro en una conferencia de biología sintética de 2015 en Chicago, con pósters que rápidamente se dieron cuenta describían diferentes aspectos de la misma idea.
“Teníamos pósters vecinos debido a nuestros apellidos”, dijo Atkinson. “Pasamos la mayor parte de la sesión charlando sobre los proyectos de cada uno y cómo había sinergias claras en nuestros intereses en interconectar células con electrodos y electrones como portadores de información”.
“El póster de Josh tenía nuestro primer módulo: cómo tomar información química y convertirla en información bioquímica”, recordó Ajo-Franklin. “Moshe tenía el tercer módulo: Cómo tomar información bioquímica y convertirla en una señal eléctrica.
“El problema era cómo unirlos”, dijo. “Las señales bioquímicas eran un poco diferentes”.
“Dijimos, ‘¡Tenemos que reunirnos y hablar de esto!’”, recordó Silberg. En seis meses, los nuevos colaboradores obtuvieron una financiación inicial de la Oficina de Investigación Naval, seguida de una subvención, para desarrollar la idea.
“El grupo de Joff incorporó la ingeniería de proteínas y la mitad de la ruta de transferencia de electrones”, dijo Ajo-Franklin. «Mi grupo aportó la otra mitad de la ruta de transporte de electrones y algunos de los esfuerzos de materiales». La colaboración finalmente llevó a la propia Ajo-Franklin a Rice en 2019 como becaria de CPRIT .
“Tenemos que darle mucho crédito a Lin y Josh”, dijo. “Nunca se dieron por vencidos con este proyecto, y fue increíblemente sinérgico. Intercambiaban ideas de un lado a otro y a través de ese intercambio resolvieron muchos problemas” — y Silberg agregó: —“Cada uno de los cuales otro estudiante podría pasar años”.
«Tanto Josh como yo pasamos varios años de nuestros doctorados trabajando en esto, con la presión de graduarnos y pasar a la siguiente etapa de nuestras carreras», dijo Su, estudiante de posgrado visitante en el laboratorio de Ajo-Franklin después de graduarse de Universidad en China. “Tuve que extender mi visa varias veces para quedarme y terminar la investigación”.
Silberg dijo que la complejidad del diseño va mucho más allá de la vía de señalización. “La cadena tiene ocho componentes que controlan el flujo de electrones, pero hay otros componentes que construyen los cables que van a las moléculas”, dijo. “Hay una docena y media de componentes con casi 30 cofactores metálicos u orgánicos. Esta cosa es enorme en comparación con algo así como nuestras cadenas respiratorias mitocondriales”.
Todos acreditaron la invaluable asistencia del coautor George Bennett , profesor emérito de E. Dell Butcher de Rice y profesor de investigación en biociencias, para hacer las conexiones necesarias.
Silberg dijo que ve microbios diseñados realizando muchas tareas en el futuro, desde monitorear el microbioma intestinal hasta detectar contaminantes como virus, mejorando la estrategia exitosa de probar plantas de aguas residuales para SARS-CoV-19 durante la pandemia.
“El monitoreo en tiempo real se vuelve bastante importante con esos pulsos transitorios”, dijo. “Y debido a que cultivamos estos sensores, son potencialmente bastante baratos de fabricar”.
Con ese fin, el equipo está colaborando con Rafael Verduzco , profesor de Rice de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería que dirige una subvención reciente de la Fundación Nacional de Ciencias de $2 millones con Ajo-Franklin, Silberg, la biocientífica Kirstin Matthews y civiles y ambientales . ingeniera Lauren Stadler para desarrollar el monitoreo de aguas residuales en tiempo real.
“El tipo de materiales que podemos hacer con Raphael lleva esto a un nivel completamente nuevo”, dijo Ajo-Franklin.
Silberg dijo que los laboratorios de Rice están trabajando en reglas de diseño para desarrollar una biblioteca de sensores modulares. “Espero que cuando la gente lea esto, reconozca las oportunidades”, dijo.
El investigador postdoctoral de la Universidad de Rice, Xu Zhang, prepara una muestra de agua para analizarla con bacterias programables que detectan contaminantes y liberan una señal electrónica para la detección en tiempo real. (Crédito: Brandon Martin/Universidad Rice)
Silberg es profesor de biociencias en el Stewart Memorial y profesor de bioingeniería en Rice. Ajo-Franklin es profesor de biociencias. Atkinson es becario postdoctoral visitante de la Fundación Nacional de Ciencias en la Universidad de Aarhus, Dinamarca, y está afiliado a la Universidad del Sur de California. Su es investigadora asociada posdoctoral y becaria Leverhulme Early Career en la Universidad de Cambridge.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0014462), la Oficina de Investigación Naval (0001418IP00037, N00014-17-1-2639, N00014-20-1-2274 ), el Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas (RR190063), la Fundación Nacional de Ciencias (1843556), el Programa de Investigación para Estudiantes de Posgrado de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DE SC0014664), la Beca Lodieska Stockbridge Vaughn y la Beca del Consejo de Becas de China ( CSC-201606090098).
Artículo en Nature: Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y
Fuente: Rice University.
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