Βρείτε μας στο Google News. Πατήστε εδώ!Οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν μερικά αξιόλογα πράγματα με τα μικρόβια, συμπεριλαμβανομένων των βακτηριακών κυττάρων για να ανιχνεύσουν και να σηματοδοτήσουν την παρουσία συγκεκριμένων ενώσεων. Αυτοί οι μικροβιακοί βιοαισθητήρες ολόκληρων κυττάρων έχουν πολλούς σκοπούς, από την ανίχνευση τοξινών στο περιβάλλον έως τη σηματοδότηση λοιμώξεων ή ασθενειών στον άνθρωπο.
Προωθούμενοι από τις εξελίξεις στη συνθετική βιολογία, οι ερευνητές συνεχίζουν να βελτιώνουν τη μεθοδολογία για τη δημιουργία βακτηριακών βιοαισθητήρων και να αναπτύσσουν νέους τρόπους με τους οποίους αυτές οι συσκευές μπορούν να εφαρμοστούν για την προώθηση της υγείας του ανθρώπου και του πλανήτη.
Τι είναι οι βιοαισθητήρες ολόκληρων κυττάρων;
Για να επιβιώσουν, τα βακτήρια πρέπει να ξέρουν τι συμβαίνει γύρω τους – “έχουν πολλούς αισθητήρες που είναι φυσικά μέρος της φυσιολογίας τους”, δήλωσε η Caroline Ajo-Franklin, Ph.D., καθηγήτρια βιοεπιστημών στο Πανεπιστήμιο Rice της οποίας το συνθετικό Βιολογικό εργαστήριο αναπτύσσει μικροβιακούς βιοαισθητήρες. «[Ωστόσο], αυτοί οι αισθητήρες δεν αισθάνονται απλώς», συνέχισε, «τα βακτήρια [επίσης] λένε να κάνουν κάτι. εμείς, ως άνθρωποι, τι βλέπουν [και] τι αισθάνονται».
Αν και υπάρχουν αμέτρητοι τρόποι για να φτιάξεις έναν μικροβιακό βιοαισθητήρα ολόκληρου κυττάρου, η βασική αρχή είναι η ίδια: ένα βακτηριακό κύτταρο προγραμματίζεται (συνήθως μέσω γενετικής μηχανικής) να αναγνωρίζει και να παράγει ένα μετρήσιμο σήμα ως απόκριση σε ένα μόριο ενδιαφέροντος. Στη φυσική εξέλιξη των γεγονότων, μια ένωση δεσμεύει έναν υποδοχέα σε ένα βακτήριο, πυροδοτώντας έναν μεταγραφικό καταρράκτη και παραγωγή πρωτεϊνών με συγκεκριμένες φυσιολογικές λειτουργίες (π.χ. αντλίες εκροής).
Όταν παράγουν βιοαισθητήρες, οι επιστήμονες «συνεπιλέγουν αυτές τις αποκρίσεις [με έναν μορφοτροπέα] έτσι ώστε αντί να έχουμε κύτταρα που κάνουν απλώς [προϊόντα] αντλίες εκροής, τα κατασκευάζουμε για να δημιουργήσουν μια απόκριση που μπορούμε να διαβάσουμε», εξήγησε η Ajo-Franklin.
Ανάλογα με τον βιοαισθητήρα και τη χρήση για την οποία προορίζεται, αυτή η απόκριση μπορεί να είναι ηλεκτροχημική ή να περιλαμβάνει έκφραση φθορίζουσες ή φωταυγείς πρωτεΐνες αναφοράς. Οι βιοαισθητήρες ολόκληρων κυττάρων κατασκευάζονται συχνά για να «δουλεύουν» μόνο όταν υπάρχει το μόριο-στόχος τους. Αυτή η ικανότητα ρύθμισης της ειδικότητας και της ευαισθησίας έχει κάνει τους βακτηριακούς βιοαισθητήρες πολλά υποσχόμενα αναλυτικά εργαλεία.
Πώς χρησιμοποιούνται οι βακτηριακοί βιοαισθητήρες;
Ίσως μια καλύτερη ερώτηση είναι: Σε τι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι βακτηριδιακοί βιοαισθητήρες; Ο κατάλογος των εφαρμογών για αυτά τα μικροσκοπικά εργαλεία αυξάνεται συνεχώς. Γενικά, ωστόσο, οι εφαρμογές τους μπορούν να χωριστούν σε 2 κατηγορίες: περιβαλλοντικές και βιοϊατρικές.
Περιβαλλοντικές εφαρμογές
Στο περιβαλλοντικό μέτωπο, οι βιοαισθητήρες ολόκληρων κυττάρων παρέχουν πληροφορίες για τα επίπεδα θρεπτικών ουσιών και τις οργανικές ενώσεις στα εδάφη, τα οποία μπορούν να πληροφορήσουν μεθόδους για τη διαχείριση της ανάπτυξης των καλλιεργειών. Μπορούν επίσης να σηματοδοτήσουν την παρουσία και τα επίπεδα δυνητικά προβληματικών ενώσεων. Για παράδειγμα, η ομάδα της Ajo-Franklin, μαζί με τους συνεργάτες της Rice, ανέπτυξαν έναν βιοαισθητήρα που μπορεί να ανιχνεύσει θειοθειικό, μια χημική ουσία που χρησιμοποιείται συνήθως στην επεξεργασία νερού που σε υπερβολικές ποσότητες μπορεί να προκαλέσει μικροβιακή άνθηση γλυκού νερού.
Συγκεκριμένα, οι περισσότεροι βιοαισθητήρες βασίζονται στη μεταγραφή ενός γονιδίου αναφοράς για την παραγωγή ενός σήματος, το οποίο απαιτεί χρόνο (έως 30 λεπτά) και πολλή κυτταρική ενέργεια. Σε μια προσπάθεια να βελτιστοποιήσει τη διαδικασία, η ομάδα του Rice ακολούθησε μια μετα-μεταφραστική προσέγγιση, δημιουργώντας μια συνθετική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στο Escherichia coli. Τα ηλεκτρόνια από το θειοθειικό κινούνται μέσω αυτής της συνθετικής αλυσίδας και προσκολλώνται σε ένα ηλεκτρόδιο, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα σε 1 λεπτό ή λιγότερο. Με αυτήν την τεχνολογία, «έχουμε την ευκαιρία να ανταποκριθούμε γρήγορα σε μια ακούσια απελευθέρωση [μιας περιβαλλοντικής τοξίνης] ώστε να μπορέσουμε να μετριάσουμε τις οικολογικές επιπτώσεις», είπε ο Ajo-Franklin.
Βιοϊατρικές εφαρμογές
Εκτός από τα θρεπτικά συστατικά και τις τοξικές ενώσεις, οι βακτηριδιακοί βιοαισθητήρες μπορούν να σχεδιαστούν για να ανταποκρίνονται σε άλλα βακτήρια. Τα μικρόβια εκκρίνουν όλα τα είδη μεταβολιτών, πολλοί από τους οποίους θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως αναλύτες στόχοι. Για παράδειγμα, μικροβικοί βιοαισθητήρες που ανιχνεύουν μόρια ανίχνευσης απαρτίας που εκκρίνονται από βακτηριακά παθογόνα μπορούν να σηματοδοτήσουν την παρουσία μικροβίων που προκαλούν ασθένειες στο νερό ή σε ανθρώπινα δείγματα για να βοηθήσουν στη διάγνωση λοιμώξεων.
Πράγματι, οι βακτηριδιακοί βιοαισθητήρες μπορούν να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για την υγεία των ασθενών. Μια πρόσφατη μελέτη περιέγραψε έναν βιοαισθητήρα κατασκευασμένο από το περιβαλλοντικό βακτήριο, Acinetobacter baylyi, που μπορεί να ανιχνεύσει DNA από καρκινικά κύτταρα in vitro και σε μοντέλο ποντικού. Αυτή η μελέτη παρέχει τη βάση για την εφαρμογή μικροβιακών βιοαισθητήρων στην ανίχνευση και διάγνωση καρκίνου.
Οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει επίσης βιοαισθητήρες που μπορούν να ανιχνεύσουν αιμορραγία ή φλεγμονώδεις βιοδείκτες στο έντερο για την παρακολούθηση της υγείας του εντέρου. Τα σήματα από αυτές τις εσωτερικές μικροβιακές συσκευές μπορούν να μεταδοθούν σε εξωτερικές συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα, απεικονίζοντας έτσι πώς οι βιοαισθητήρες μπορούν να συνδυαστούν με τις υπάρχουσες ψηφιακές τεχνολογίες για τη διευκόλυνση της συλλογής και ανάλυσης δεδομένων.
