Биопиксели: Учёные создали живые «неоновые вывески» из миллионов светящихся бактерий
Биологи и биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали живую неоновую вывеску, состоящую из миллионов бактериальных клеток, которые периодически флуоресцируют в унисон, как мигающие лампочки.
Их достижение, подробно описанное в онлайн-выпуске журнала Nature, включало присоединение флуоресцентного белка к биологическим часам бактерий, синхронизацию часов тысяч бактерий внутри колонии, а затем синхронизацию тысяч самих мигающих колоний.
От искусства к биосенсорам
Мигающие бактериальные «вывески» — не только демонстрация возможностей синтетической биологии, но и основа для практических применений. Используя тот же метод, исследователи создали простой бактериальный сенсор, способный обнаруживать низкие уровни мышьяка. В этом биосенсоре уменьшение частоты колебаний (мигания) клеток указывает на наличие и количество яда.
Поскольку бактерии чувствительны ко многим загрязнителям и патогенам, этот подход может быть использован для создания недорогих биосенсоров для детекции тяжёлых металлов и болезнетворных организмов. В отличие от многих химических сенсоров, живые организмы могут непрерывно реагировать на изменение концентрации токсина во времени.
«Подобные живые сенсоры интригуют, поскольку могут непрерывно мониторить образец долгое время, в то время как большинство детекторных наборов предназначены для разового измерения», — отметил руководитель исследования Джефф Хасти.
Как работает синхронизация?
Технология основана на двух предыдущих работах, опубликованных в Nature:
- Создание надёжных и настраиваемых биологических часов для получения мигающих бактерий.
- Синхронизация всех часов внутри бактериальной колонии с помощью механизма «чувства кворума» (quorum sensing) — обмена малыми молекулами.
Однако для синхронизации миллионов бактерий из тысяч колоний чувства кворума оказалось недостаточно. Учёные обнаружили, что колонии выделяют газы, которые в специально разработанном микрофлюидном чипе могут синхронизировать все миллионы бактерий.
«Колонии синхронизируются через газовый сигнал, а клетки — через чувство кворума. Связь синергетична», — пояснил Хасти.
Устройство системы
Каждая мигающая колония — это «биопиксель», точка света, подобная пикселю на экране. Самые большие микрофлюидные чипы, размером со скрепку или покровное стекло микроскопа, содержат 50–60 миллионов клеток и около 13 000 биопикселей. Меньшие чипы содержат примерно 2.5 миллиона клеток и 500 пикселей.
Перспективы
По оценке Хасти, в течение пяти лет может быть разработан небольшой портативный сенсор, считывающий колебания бактерий на одноразовых микрофлюидных чипах для определения наличия и концентрации различных токсичных веществ и патогенов в полевых условиях.