Такие загрязнители окружающей среды, как фтор, свинец и пестициды, существуют вокруг и даже внутри нас. В то время как у исследователей есть простые способы измерения концентрации таких загрязнителей в лабораторных условиях, проверить их уровень в полевых условиях гораздо сложнее. Это связано с тем, что они требуют дорогостоящего специализированного оборудования.

Недавние усилия в области синтетической биологии позволили использовать клеточные биосенсоры для экономически эффективного и доступного для использования в полевых условиях обнаружения загрязнителей окружающей среды и сообщения о них. Несмотря на достигнутый прогресс, ученые пытаются 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 рибосвитч для создания биосенсора на фтор, команда обнаружила, что может защитить сенсор и работать аналогично тому, как это делают клетки, заключив сенсор в жировую мембрану.

В новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи продемонстрировали, что, изменяя состав и проницаемость липидной бислойной мембраны, они могут дополнительно настраивать и контролировать работу своего датчика.

"Сейчас генерируется так много данных, и большая их часть поступает от приложений для здоровья, таких как умные часы", - говорит Джулиус Лакс, соавтор статьи 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, настолько мизерна, а химическое зондирование открывает огромные масштабы информации, которую можно использовать".

Лакс также является заместителем заведующего кафедрой химической и биологической инженерии. Его лаборатория продвинула 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 быть использованы в бесклеточных системах для мониторинга окружающей среды в целях охраны здоровья и устойчивого развития.

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 рибосвитча, использующий экстракты бактериальных клеток для запуска реакций экспрессии генов (включая флуоресцентную РНК или белок, который загорается в ответ на загрязнения), которые дают визуальные результаты дешево и в течение нескольких минут.

Неха Камат, доцент кафедры биомедицинской инженерии в McCormick и соавтор работы, первоначально познакомилась с Лаксом на их факультетской ориентации 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 чувствовать молекулы в реальных образцах воды и генерировать значимые результаты", - сказал Камат. "Моя лаборатория много работает с липидами, обычно используемыми для инкапсуляции мРНК для доставки лекарств, с целью использования этих отсеков для создания более похожих на клетки структур. 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 меньший сигнал, потому что трудно уместить все в маленьком контейнере, а затем увеличить его масштаб. Чтобы преодолеть эту проблему, команда модифицировала генетический выход в датчике, чтобы усилить и окрасить его, так что он виден на глаз и "для этого не нужен причудливый детектор", - сказал Лакс.

Инкапсуляция 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 за инновации Cornew от Северо-западного института химии жизненных процессов (CLP), представив свою "потенциально разрушительную" идею консультативному совету CLP.

Лакс называет этот проект "отправной точкой", с которой они смогут встраивать датчики в другие материалы, включая "умные" материалы, которые могут менять свои свойства, как в биологии.

"Как синтетические биологи, одной из наших основных тем является определение проблем и обращение к природе", - сказал Лакс. "Что она уже делает? Можем ли мы использовать это и заставить ее делать больше для удовлетворения наших потребностей?".

Фторид стал очевидным выбором, поскольку существует естественная молекула РНК, которая чувствует его, что позволило команде разработать более простой механизм. Но в будущем Камат и Лакс имеют большие амбиции в отношении того, как может расшириться применение датчиков.

Например, датчики могут проходить через человеческое тело для обнаружения небольших молекул и биомаркеров, прежде чем датчик будет извлечен через мочу или другим пассивным способом. 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, думая о том, как создать нечто похожее на бабочку, которая чувствует запах через свои ноги.