Бактерии для обнаружения загрязнений

Ученые используют бактерии для обнаружения загрязняющих веществ, попадающих в реки и озера.

Наиболее эффективным способом отслеживания загрязнителей могут стать естественные сенсорные системы, такие как генетически модифицированные бактерии, помещенные в автономный портативный бокс. Такие устройства разрабатываются в рамках проекта BIOMONAR, финансируемого ЕС, который продолжает работу своих предшественников — ECODIS и TOXICHIP. «У бактерий, как и у всех живых существ, есть очень специфические сенсорные белки, которые позволяют [бактериальной] клетке ориентироваться в пространстве и обнаруживать токсичные или съедобные химические вещества», — рассказывает микробиолог проекта из Университета Лозанны (Швейцария) Ян ван дер Мер.

Команда проекта использовала бактерии, связанные с молекулярной репортерной системой, которую легко увидеть. В результате бактерии начинают светиться (биолюминесценция), как только чувствуют целевые химические вещества. «Большая часть нашей работы — это проектирование и тестирование генетических схем, небольших фрагментов ДНК, которые содержат информацию, необходимую клетке для выработки репортерного сигнала в ответ на целевое соединение в окружающей среде», — говорит ван дер Мер. Например, он разработал биосенсор для обнаружения мышьяка в питьевой воде путем генетической модификации бактерий Escherichia coli.

Однако у этого подхода есть ограничения. Биосенсоры, разработанные учеными проекта, не показывают, что именно находится в воде; они лишь сигнализируют, что вода токсична для бактерий, что иногда является всей необходимой информацией. Тем не менее, этот метод выгодно отличается от ранее разработанных химических датчиков загрязнения. «Преимущество живых клеток в том, что они могут сообщать о биологических эффектах, то есть рассказывать, что чувствует биологическая система», — комментирует ученый проекта из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) Шимшон Белкин, добавляя: «Ни один химический метод не может предоставить эту информацию».

Кроме того, такие наборы могут помочь выйти за рамки нормативных требований. «Правила могут предписывать тестирование, возможно, 100 химических веществ, но вы проверяете только их. Если появится 101-е вещество, вы его никогда не найдете, потому что не будете специально его искать», — говорит Белкин, — «но эти анализы на токсичность обнаружат его присутствие».

Однако промышленность вряд ли примет этот подход, если он не будет предписан властями. Необходимо «четкое законодательство, которое обяжет промышленных пользователей [отслеживать] загрязнение быстро и часто», — комментирует Жераль Туан, ученый из Университета Нанта (Франция), не связанный с проектом. Он работает над бактериальными сенсорами для обнаружения тяжелых металлов в сточных водах очистных сооружений.

Существуют и другие проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем бактериальные сигнализаторы получат широкое распространение. «Вы можете использовать генетически модифицированные микроорганизмы для собственного использования в лаборатории и в некоторых случаях в закрытой и определенной зоне, но не в окружающей среде. Это очень, очень сложно», — добавляет Туан. Действительно, выпуск живых видов в окружающую среду сильно отличается от процесса сдерживания в лаборатории, соглашается профессор исследований науки из Ланкастерского университета (Великобритания) Брайан Уинн. «Думаю, люди справедливо будут задаваться вопросом, можем ли мы доверять процессу сдерживания», — говорит он. Но он отмечает, что микроорганизмы могут оказаться легче сдерживать, чем генетически модифицированные сельскохозяйственные растения.

Следующая серьезная проблема, которую необходимо решить ученым, по словам Туана, — это проблема смешанных загрязнителей. «Загрязнитель может быть более или менее токсичным при контакте с другими химическими веществами. Для окружающей среды нам нужно решить эту проблему в ближайшие десятилетия, и только живые клетки дадут ответ».