Простые тесты на фтор упростят полевые анализы

Таких загрязнителей окружающей среды, как фтор, свинец и пестициды, полно вокруг и даже внутри нас.

Хотя есть простые лабораторные способы измерения концентрации таких загрязнителей, проверить их уровень в полевых условиях гораздо сложнее. Это связано с тем, что для их измерения требуется дорогостоящее специализированное оборудование.

Последние достижения в области синтетической биологии позволили использовать клеточные биосенсоры для обнаружения загрязнителей окружающей среды и составления отчетов о них способом, экономически эффективным и доступным для использования в полевых условиях. Несмотря на достигнутый прогресс, ученые продолжают попытки ответить на вопрос, как защитить компоненты сенсора от веществ, которые естественным образом присутствуют в добытых образцах.

Междисциплинарная группа синтетических биологов Северо-Западного университета разрабатывает сенсорную платформу, которая сможет обнаруживать ряд экологических и биологических целей в реальных образцах. Используя разработанный переключатель рибосом для создания биосенсора на фтор, команда обнаружила, что может защитить сенсор и действовать аналогично тому, как это делают клетки, заключив сенсор в жировую мембрану.

В новой работе, опубликованной 4 января в журнале Science Advances, исследователи показали, что, изменяя состав и проницаемость липидной двухслойной мембраны, они могут дополнительно настраивать и контролировать работу датчика.

Сейчас генерируется довольно много данных, и большая их часть поступает от приложений для здоровья, таких как умные часы, — сказал Джулиус Лакс, соавтор исследования и профессор химической и биологической инженерии Северо-Западной инженерной школы МакКормик.

Мы можем чувствовать сердцебиение, температуру, но, если задуматься, у нас нет возможности чувствовать химические вещества. Мы живем в век информации, но информация, которой мы располагаем, довольно скромная, а химическое зондирование открывает огромные информационные возможности.

Лакс также является заместителем заведующего кафедрой химической и биологической инженерии. Его лаборатория развивает понимание молекулярных систем, реагирующих на изменения окружающей среды, изучая РНК и ее роль в клетках — как РНК используется клетками для восприятия изменений в окружающей среде и как эти концепции могут использоваться в бесклеточных системах для мониторинга окружающей среды в интересах здоровья и долголетия.

Бесклеточная синтетическая биология, в которой для активации биологических механизмов используются сконструированные биомолекулярные системы, а не живые клетки, привлекательна своей эффективностью, универсальностью и низкой стоимостью. Лакс разработал датчик на основе переключателя рибосом, использующий экстракты бактериальных клеток для запуска реакций экспрессии генов (включая флуоресцентную РНК или белок, загорающийся в ответ на загрязняющие вещества), которые дают визуальные результаты дешево и быстро.

Неха Камат, доцент кафедры биомедицинской инженерии в McCormick и один из авторов соавторской работы, первоначально познакомилась с Лаксом во время выбора специальности и заинтересовалась его стремлением расширить доступ к информации. Камат, чья специализация — инженерные мембраны и сборка мембран, задалась вопросом, сможет ли она сделать систему Лакса в пробирке лучше, используя везикулу — мембрану с двумя слоями.

Они используют РНК и связанные с ней механизмы, чтобы определить молекулы в реальных образцах воды и получить содержательные результаты, — сказал Камат.

Моя лаборатория много работает с липидами, которые обычно используются для инкапсуляции мРНК для доставки лекарств, с целью использования этих структур для создания более похожих на клетки конструкций. У нас возникла идея защитить переключатели Джулиуса и позволить им работать в образцах, которые могут быть загрязнены другими примесями, например, в банке с клетками.

Другие исследователи пытались поместить датчик внутрь мембраны, но переключатель переставал работать должным образом и выдавал гораздо более слабый сигнал, потому что трудно уместить все в маленьком контейнере, а затем масштабировать его. Чтобы преодолеть эту проблему, команда модифицировала генетическую продукцию в датчике, чтобы усилить и окрасить ее, чтобы она была видна на глаз и для этого не нужен никакой модный детектор.

Герметизация и защита важны для датчика, чтобы он функционировал в естественных условиях, например, в канале сточных вод с большим количеством других загрязняющих веществ, которые могут разрушить переключатель. Это пример «распределенного зондирования», которое может помочь в различных областях — от сельского хозяйства до здоровья человека.

Группа объединилась более официально, когда получила награду Cornew Innovation Award от Северо-западного института химии жизненных процессов (CLP), представив свою «потенциально революционную» идею консультативному совету CLP. Именно тогда команда получила стартовое финансирование для воплощения своей идеи в жизнь.

Лакс называет этот проект «отправной точкой», с которой они смогут встраивать датчики в другие материалы, включая „умные“ материалы, которые способны менять свойства.

Одна из основных тем синтетических биологов — выявление проблем и наблюдение за природой, — говорит Лакс.

Что делается уже сейчас? Можем ли мы делать больше для удовлетворения наших потребностей?.

Фтор стал очевидным выбором, потому что существует естественная молекула РНК, которая распознает его, что позволило команде разработать более простой механизм. Но в будущем Камат и Лакс планируют расширить сферу применения датчиков.

Например, датчики могут проходить через человеческое тело для обнаружения небольших молекул и биомаркеров, прежде чем они будут извлечены через мочевой канал или другим естественным путем. Они также могут определять уровень нитратов в почве и помогать в мониторинге стоков. Кроме того, Лакс и Камат хотят увидеть применение в материаловедении, например, в мягкой робототехнике, и думают о том, как создать нечто похожее на бабочку, у которой, как известно. вкусовые рецепторы расположены на лапках.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

08.01.2023