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(Noticias de Nanowerk) Si te golpeas el dedo con un martillo, sentirás el dolor inmediatamente. Y reaccionas inmediatamente.
Pero, ¿y si el dolor llega 20 minutos después del golpe? Para entonces, la lesión podría ser más difícil de curar.
Los científicos e ingenieros de la Universidad de Rice dicen que lo mismo es cierto para el medio ambiente. Si un derrame químico en un río pasa desapercibido durante 20 minutos, puede ser demasiado tarde para tomar medidas.
Sus sensores bioelectrónicos vivos pueden ayudar. Un equipo dirigido por los biólogos sintéticos de Rice Caroline Ajo-Franklin y Jonathan (Joff) Silberg, y los autores principales Josh Atkinson y Lin Su, ambos alumnos de Rice, diseñaron bacterias para detectar rápidamente la presencia de una variedad de contaminantes e informar al respecto.
tus estudios en Naturaleza («Real-Time Environmental Monitoring of Pollutants Using Live Electronic Sensors») muestra que las celdas se pueden programar para identificar intrusos químicos y reportarlos en minutos mediante la liberación de una corriente eléctrica detectable.
Dichos dispositivos «inteligentes» podrían autoalimentarse absorbiendo energía del medio ambiente mientras monitorean las condiciones en entornos como ríos, granjas, industrias y plantas de tratamiento de aguas residuales, y garantizan la seguridad del agua, dijeron los investigadores.
La información ambiental transmitida por estas bacterias autorreplicantes se puede adaptar reemplazando una sola proteína en la cadena de transporte de electrones sintéticos de ocho componentes que genera la señal del sensor.
«Creo que es la ruta de proteína de señalización en tiempo real más compleja construida hasta la fecha», dijo Silberg, director de Ph.D. de Biología Física y Sintética de Sistemas de Rice. Programa. «En pocas palabras, imagine un cable que dirige los electrones para que fluyan desde una celda química a un electrodo, pero rompimos el cable por la mitad. Cuando la molécula objetivo golpea, se vuelve a conectar y se electrifica por completo”.
«Es literalmente un interruptor eléctrico en miniatura», dijo Ajo-Franklin.
«Pones las sondas en el agua y mides la corriente», dijo. “Así de simple: nuestros dispositivos son diferentes porque los microbios están encapsulados. No los liberamos 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 diclorante utilizado en el tratamiento del agua que puede provocar la proliferación de algas. Y había fuentes de agua adecuadas para probar: Galveston Beach y Houston’s Brays y Buffalo Bayous.
Recogieron agua de todos. Primero adjuntaron las suyas E. coli en los electrodos, pero los microbios se negaron a permanecer allí. «No se adhieren naturalmente a un electrodo», dijo Ajo-Franklin. «Utilizamos tallos que no forman biopelículas, por lo que si añadimos agua se caerían».
En este caso, los electrodos proporcionaron más ruido que señal.
Contrataron al coautor Xu Zhang, un postdoctorado en el laboratorio de Ajo-Franklin, y encapsularon sensores en agarosa en forma de piruleta, lo que permitió la contaminación pero mantuvo los sensores en su lugar y redujo el ruido.
«La experiencia de Xu es en ingeniería ambiental», dijo Ajo-Franklin. “Ella no entró y dijo: ‘Oh, tenemos que arreglar la biología’. Ella dijo: ‘¿Qué podemos hacer con los materiales?’ Se necesitó mucho trabajo innovador en el lado de los materiales para que la biología sintética brillara”.
Una vez que se establecieron las restricciones físicas, los laboratorios codificaron primero E. coli para expresar una vía sintética que genera electricidad solo cuando se encuentra con tiosulfato. Este sensor vivo pudo detectar este químico a niveles inferiores a 0,25 milimoles por litro, muy por debajo de los niveles tóxicos para los peces.
En otro experimento E. coli ha sido recodificado para reconocer un disruptor endocrino. Esto también funcionó bien, y las señales se amplificaron enormemente cuando las nanopartículas conductoras, especialmente sintetizadas por Su, se encapsularon con las células en la piruleta de agarosa. Los investigadores informaron que estos sensores encapsulados detectan esta contaminación hasta 10 veces más rápido que los dispositivos de última generación anteriores.
El estudio comenzó por accidente cuando Atkinson y Moshe Baruch del grupo de Ajo-Franklin en el Laboratorio Nacional Berkeley Lawrence se alinearon uno al lado del otro en una conferencia de biología sintética en Chicago en 2015 y rápidamente se dieron cuenta de que los carteles describían diferentes aspectos de la misma idea.
«Teníamos vallas publicitarias vecinas debido a nuestros apellidos», dijo Atkinson. «Pasamos la mayor parte de la sesión de carteles charlando sobre los proyectos de cada uno y que había sinergias claras en nuestros intereses en conectar células a electrodos y electrones como portadores de información».
«El póster de Josh contenía nuestro primer módulo: cómo convertir la información química 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 conectarlos juntos», dijo. «Las señales bioquímicas fueron ligeramente diferentes».
«Dijimos: ‘¡Tenemos que reunirnos y hablar de esto!'», recordó Silberg. En seis meses, los nuevos empleados recibieron financiación inicial de la Oficina de Investigación Naval, seguida de un estipendio 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 parte del esfuerzo de los materiales». La colaboración finalmente trajo al mismo Ajo-Franklin a Rice en 2019 como beneficiario de CPRIT.
«Tenemos que darle mucho crédito a Lin y Josh», dijo. «Nunca se dieron por vencidos con este proyecto y fue increíblemente sinérgico. Intercambiaron ideas y resolvieron muchos problemas a través de este intercambio”.
«Otro estudiante podría pasar años en cada uno», agregó Silberg.
«Tanto Josh como yo hemos pasado varios años trabajando en nuestro doctorado bajo la presión de graduarnos y pasar a la siguiente etapa de nuestras carreras», dijo Su, estudiante visitante en el laboratorio de Ajo-Franklin después de graduarse de la Universidad del Sudeste de China. «Tuve que extender mi visa varias veces para quedarme y completar la investigación».
Silberg dijo que la complejidad del diseño va mucho más allá de la ruta de la señal. «La cadena tiene ocho componentes que controlan el flujo de electrones, pero hay otros componentes que forman 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 reconocieron la inestimable ayuda del coautor George Bennett, profesor emérito de Rice E. Dell Butcher y profesor de investigación de ciencias biológicas para realizar las conexiones necesarias.
Silberg dijo que ve microbios diseñados que desempeñarán muchas funciones en el futuro, desde monitorear el microbioma intestinal hasta detectar contaminantes como virus, lo que mejoraría 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 estos pulsos transitorios», dijo. «Y debido a que estamos cultivando 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 ciencia de materiales y nanoingeniería, quien junto con Ajo-Franklin, Silberg, la bióloga Kirstin Matthews y Civil and Environmental, una investigadora reciente de National Science La subvención otorgada por la fundación de $2 millones lleva a la ingeniera Lauren Stadler a desarrollar el monitoreo de aguas residuales en tiempo real.
«El tipo de materiales que podemos fabricar 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 al leer esto, la gente vea las oportunidades», dijo.
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