Ученые создают бактерии, заставляющие почву и урожай «светиться» разными цветами

Фото из открытых источников

Проверка здоровья почвы вскоре может стать такой же простой, как опрос местных бактерий. Дроны или спутники могли бы обнаружить их ответы, представленные в виде разноцветного свечения в ответ на триггеры, такие как питательные вещества или загрязняющие вещества.

Поскольку их можно легко редактировать для производства молекул при выполнении определенных условий, бактерии уже широко используются в качестве сенсоров. Но проверка их реакций обычно требует микроскопа и времени.

Скоро это можно будет сделать, делая фотографии с помощью дрона и выжидая 30 секунд. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали сенсорную систему, в которой бактерии светятся в определенных длинах волн света при обнаружении цели. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.

Система кажется достаточно универсальной, чтобы обнаружить практически любую молекулу, химикат или бактерию, хорошую или плохую. Добавив две разные бактерии, она могла бы, по сути, заставить поля светиться красным, когда загрязняющие вещества проникают, и зеленым, когда питательных веществ много.

«Таким образом, он может реагировать на металлы, радиацию, токсины в почве или питательные вещества в почве, или на что угодно, на что вы хотите, чтобы он реагировал», — говорит Кристофер Фойгт из Массачусетского технологического института. «Тогда результатом этого станет создание этой молекулы, которую можно будет обнаружить на большом расстоянии».

Команда использовала специальные камеры, установленные на дронах или зданиях, для сканирования образцов почвы, патрулируемых генетически модифицированными бактериями. Образцы, содержащие цель, были четко видны, испуская сигнал в 12 раз сильнее, чем контрольные образцы, на расстоянии до 90 метров.

Свечение не будет видно невооруженным глазом – оно работает с использованием гиперспектральных камер. Эти устройства могут обнаруживать сотни длин волн видимого и инфракрасного света и анализировать, сколько каждого из них присутствует в каждом пикселе изображения. Это означает, что они могут улавливать крошечные изменения цвета, которые будут незаметны для других приборов, не говоря уже о человеческом глазе.

Команда сконструировала бактерии для производства молекул-«репортеров», которые могут быть обнаружены этими гиперспектральными камерами. Они начали с проведения квантово-механических симуляций 20 170 метаболитов, чтобы найти наиболее подходящих кандидатов.

«Лучшими гиперспектральными репортерами (HSR) являются те, чьи спектры наиболее уникальны и требуют наименьшего количества ферментов для создания», — пишут авторы в своей статье.

В конце концов они остановились на двух перспективных кандидатах: пигменте под названием биливердин, который может придавать синякам зеленый оттенок, и бактериохлорофилле, который микробы используют для фотосинтеза. Ферменты для создания биливердина были внедрены в почвенную бактерию Pseudomonas putida, в то время как водный микроб Rubrivivax gelatinosus приобрел способность производить бактериохлорофилл.

Эти выходы были подключены к сенсорным схемам в бактериальных геномах – в данном случае, для обнаружения других бактерий, скрывающихся поблизости. Но по сути, триггером может быть почти что угодно, включая химикаты в загрязненной почве.

«Преимущество этой технологии в том, что вы можете подключить и использовать любой датчик, который вам нужен», — говорит Йонатан Чемла, инженер по микробиому окружающей среды в Массачусетском технологическом институте. «Нет никаких причин, по которым какой-либо датчик не будет совместим с этой технологией».

Чтобы проверить эту идею, команда поместила образцы почвы или песка в открытые для воздуха коробки, некоторые из которых содержали зарытые диски цели. Гиперспектральные камеры на дронах или крышах могли делать снимки, охватывающие сотни или тысячи квадратных метров, менее чем за 30 секунд.

И действительно, коробки с мишенями ярко светились, что резко контрастировало с контрольными образцами.

Исследователи раскрывают информацию о финансировании со стороны Министерства обороны США и Министерства обороны Израиля.

«В течение последних трех лет мы были очень заняты изучением нормативно-правовой базы, проблем безопасности, рисков и преимуществ такого рода технологий?» — говорит Чемла.

Хотя безопасность и правила использования этих систем еще предстоит определить, группа утверждает, что этот метод обещает быть перспективным для постоянного мониторинга окружающей среды.

«Микробные датчики имеют преимущества в качестве полевых датчиков. Они могут быть распределены по обширным площадям, реагируют на уникальные сигналы и устойчивы без необходимости в электричестве», — пишут авторы. «Кроме того, HSR можно визуализировать в дневное время в условиях окружающей среды и идентифицировать в спектрально сложных средах, включая открытую местность, зелень и городские постройки».