ترسل المستشعرات الإلكترونية الحيوية دفعة من الكهرباء عند تشغيلها
تكتشف المستشعرات البكتيرية الجديدة وجود مجموعة متنوعة من الملوثات في الماء.
عندما تضغط على إصبعك بمطرقة، تشعر بالألم على الفور. وأنت تتفاعل على الفور.
ولكن ماذا لو لم يأت الألم إلا بعد 20 دقيقة من الإصابة؟ بحلول ذلك الوقت، قد يكون من الصعب التئام الإصابة.
“أعتقد أنه مسار البروتين الأكثر تعقيدًا للإشارات في الوقت الفعلي الذي تم بناؤه حتى الآن.” – جوناثان (جوف) سيلبرج
وينطبق الشيء نفسه على البيئة، كما يقول العلماء والمهندسون في جامعة رايس. إذا كان الانسكاب الكيميائي في النهر يمر دون أن يلاحظه أحد لمدة 20 دقيقة، فقد يكون الوقت قد فات للتنظيف بشكل فعال.
يمكن أن تساعد المستشعرات الإلكترونية الحيوية التي طوروها في حل هذه المشكلة. قام فريق من الباحثين بهندسة البكتيريا للاستشعار بسرعة وجود مجموعة متنوعة من الملوثات والإبلاغ عنها.
قاد المشروع عالما الأحياء الاصطناعية في رايس كارولين أجو-فرانكلين وجوناثان (جوف) سيلبيرج والمؤلفين الرئيسيين جوش أتكينسون ولين سو، وكلاهما من خريجي رايس.
نُشرت دراستهم اليوم (2 نوفمبر) في مجلة Nature ، وتوضح دراستهم أنه يمكن برمجة الخلايا لتحديد الغزاة الكيميائيين والإبلاغ عن وجودهم في غضون دقائق عن طريق إطلاق تيار كهربائي قابل للاكتشاف
.
وفقًا للباحثين، يمكن أن تضمن هذه الأجهزة “الذكية” الأمن المائي أثناء تزويد نفسها بالطاقة عن طريق نهب الطاقة في البيئة أثناء مراقبة الظروف في أماكن مثل الأنهار والمزارع والصناعة ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي.
“تضع المجسات في الماء وتقيس التيار. بكل بساطة.” – كارولين آجو فرانكلين
يمكن تخصيص المعلومات البيئية التي تنقلها هذه البكتيريا ذاتية التكرار عن طريق استبدال بروتين واحد في سلسلة نقل الإلكترون الاصطناعية المكونة من ثماني مكونات والتي تؤدي إلى ظهور إشارة المستشعر.
قال سيلبيرج ، مدير أنظمة رايس، دكتوراه في البيولوجيا التركيبية والفيزيائية: “أعتقد أنه أكثر مسار بروتيني تعقيدًا للإشارات في الوقت الفعلي تم بناؤه حتى الآن”.
برنامج. “ببساطة، تخيل سلكًا يوجه الإلكترونات للتدفق من مادة كيميائية خلوية إلى قطب كهربائي، لكننا كسرنا السلك في المنتصف. عندما يضرب الجزيء الهدف، فإنه يعيد الاتصال ويكهرب المسار الكامل “.
قال أجو فرانكلين: “إنه حرفياً مفتاح كهربائي صغير”.
تحتوي أجهزة Pucklike التي صممها علماء ومهندسو جامعة رايس على العديد من البكتيريا القابلة للبرمجة التي يمكنها اكتشاف الملوثات والإبلاغ عن وجودها في الوقت الفعلي.
تطلق البكتيريا إشارة كهربائية عند تشغيلها. الائتمان: براندون مارتن / جامعة رايس
قالت: “تضع المجسات في الماء وتقيس التيار”. “بكل بساطة. أجهزتنا مختلفة لأن الميكروبات مغلفة. نحن لا نطلقها في البيئة “.
كانت البكتيريا التي أثبتت صحة فكرة الباحثين هي Escherichia coli (E. coli(E.
لقد جمعوا الماء من كل منهما. في البداية، قاموا بتوصيل الإشريكية القولونية الخاصة بهم بأقطاب كهربائية، لكن الميكروبات رفضت البقاء في مكانها.
قال أجو فرانكلين: “إنهم لا يلتصقون بشكل طبيعي بالقطب الكهربي”. “نحن نستخدم سلالات لا تشكل أغشية حيوية، لذلك عندما نضيف الماء، فإنها تسقط.”
عندما حدث ذلك، أصدرت الأقطاب الكهربائية ضوضاء أكثر من الإشارة.
يقوم الباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة رايس Xu Zhang بإعداد عينة من المياه للاختبار باستخدام البكتيريا القابلة للبرمجة التي تختبر الملوثات وتطلق إشارة إلكترونية للكشف في الوقت الفعلي. الائتمان: براندون مارتن / جامعة رايس
من خلال الاستعانة بالمؤلف المشارك Xu Zhang ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر Ajo-Franklin ، قاموا بتغليف أجهزة الاستشعار في agarose على شكل مصاصة سمحت للملوثات بالداخل ولكن ثبتت المستشعرات في مكانها، مما قلل من الضوضاء.
قال Ajo-Franklin “خلفية Xu في الهندسة البيئية”. “لم تأت وتقول،” أوه، علينا إصلاح علم الأحياء. ” قالت، “ماذا يمكننا أن نفعل بالمواد؟” لقد تطلب الأمر عملاً رائعًا ومبتكرًا على جانب المواد لجعل البيولوجيا التركيبية تتألق “.
مع وجود قيود فيزيائية، قامت المختبرات أولاً بتشفير الإشريكية القولونية للتعبير عن مسار اصطناعي يولد تيارًا فقط عندما يواجه الثيوكبريتات.
كان هذا المستشعر الحي قادرًا على استشعار هذه المادة الكيميائية بمستويات أقل من 0.25 مليمول لكل لتر، وهي أقل بكثير من المستويات السامة للأسماك.
في تجربة أخرى، تم إعادة تشفير الإشريكية القولونية لتشعر باضطراب الغدد الصماء. نجح هذا أيضًا بشكل جيد، وتم تعزيز الإشارات بشكل كبير عندما تم تغليف الجسيمات النانوية الموصلة التي تم تصنيعها خصيصًا بواسطة Su مع الخلايا الموجودة في مصاصة الاغاروز.
وفقًا للباحثين، يمكن لهذه المستشعرات المغلفة اكتشاف هذا الملوث بمعدل يصل إلى 10 مرات أسرع من أحدث الأجهزة السابقة.
طور عالما الأحياء الاصطناعية في جامعة رايس كارولين أجو فرانكلين وجوف سيلبيرج ومختبراتهما بكتيريا قابلة للبرمجة تستشعر الملوثات وتطلق إشارة إلكترونية في الوقت الفعلي. الائتمان: براندون مارتن / جامعة رايس
بدأت الدراسة بالصدفة عندما أنشأ أتكينسون وموشيه باروخ من مجموعة آجو فرانكلين في مختبر بيركلي لورانس الوطني جنبًا إلى جنب في مؤتمر البيولوجيا التركيبية لعام 2015 في شيكاغو، مع الملصقات التي أدركوها بسرعة توضح جوانب مختلفة من نفس الفكرة.
قال أتكينسون: “كانت لدينا ملصقات مجاورة بسبب أسمائنا الأخيرة”. “لقد أمضينا معظم جلسة الملصقات نتحدث حول مشاريع بعضنا البعض وكيف كان هناك تآزر واضح في مصلحتنا في ربط الخلايا بالأقطاب الكهربائية والإلكترونات كناقل للمعلومات”.
يتذكر Ajo-Franklin أن “ملصق Josh كان يحتوي على وحدتنا الأولى: كيفية أخذ المعلومات الكيميائية وتحويلها إلى معلومات كيميائية حيوية”.
كان لدى موشيه الوحدة الثالثة: كيفية أخذ المعلومات البيوكيميائية وتحويلها إلى إشارة كهربائية.
قالت “المهم هو كيفية ربطها ببعضها البعض”. “كانت الإشارات البيوكيميائية مختلفة بعض الشيء.”
يتذكر سيلبيرج: “قلنا،” نحن بحاجة إلى أن نجتمع معًا ونتحدث عن هذا! ” في غضون ستة أشهر، فاز المتعاونون الجدد بتمويل أولي من مكتب الأبحاث البحرية، تلته منحة لتطوير الفكرة.
قال Ajo-Franklin: “جلبت مجموعة Joff هندسة البروتين ونصف مسار نقل الإلكترون”.
“أحضرت مجموعتي النصف الآخر من مسار نقل الإلكترون وبعض جهود المواد.” جلب التعاون في النهاية Ajo-Franklin نفسها إلى رايس في عام 2019 كباحثة CPRIT.
قالت: “علينا أن ننسب الكثير من الفضل إلى لين وجوش”. “لم يتخلوا أبدًا عن هذا المشروع، وكان متآزرًا بشكل لا يصدق. كانوا يرتدون الأفكار ذهابًا وإيابًا ومن خلال هذا التبادل حلوا الكثير من المشكلات “.
وأضاف سيلبيرج: “يمكن أن يقضي طالب آخر سنوات في كل منها”.
قال سو، طالب الدراسات العليا الزائر في مختبر Ajo-Franklin بعد تخرجه من جنوب شرق جامعة في الصين. “اضطررت إلى تمديد تأشيرتي عدة مرات للبقاء وإنهاء البحث.”
قال سيلبيرج إن تعقيد التصميم يتجاوز بكثير مسار الإشارات. وقال: “تحتوي السلسلة على ثماني مكونات تتحكم في تدفق الإلكترون، لكن هناك مكونات أخرى تبني الأسلاك التي تدخل في الجزيئات”.
“هناك دزينة من المكونات ونصف مع ما يقرب من 30 من المعادن أو العوامل المساعدة العضوية. هذا الشيء ضخم مقارنة بشيء مثل سلاسل الجهاز التنفسي الميتوكوندريا “.
كل الفضل في المساعدة القيمة التي قدمها المؤلف المشارك جورج بينيت ، والأستاذ الفخري لرايس إي.ديل بوتشر وأستاذ الأبحاث في العلوم الحيوية، في إقامة الروابط الضرورية.
قال سيلبيرج إنه يرى أن الميكروبات المهندسة تؤدي العديد من المهام في المستقبل، من مراقبة ميكروبيوم الأمعاء إلى استشعار الملوثات مثل الفيروسات، وتحسين الاستراتيجية الناجحة لاختبار محطات مياه الصرف الصحي بحثًا عن فيروس SARS-CoV-19 أثناء الوباء.
قال “المراقبة في الوقت الحقيقي تصبح مهمة جدًا مع تلك النبضات العابرة”. “ونظرًا لأننا نصمم هذه المستشعرات، فمن المحتمل أن تكون رخيصة جدًا في الصنع.”
تحقيقًا لهذه الغاية، يتعاون الفريق مع Rafael Verduzco ، أستاذ الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وعلوم المواد والهندسة النانوية في رايس الذي يقود منحة مؤسسة العلوم الوطنية مؤخرًا بقيمة 2 مليون دولار مع Ajo-Franklin و Silberg وعالمة الأحياء Kirstin Matthews والمدنية والبيئية. المهندسة لورين ستادلر لتطوير مراقبة مياه الصرف الصحي في الوقت الحقيقي.
قال Ajo-Franklin: “نوع المواد التي يمكننا صنعها باستخدام رافائيل يأخذ هذا إلى مستوى جديد تمامًا”.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
