Um gene "gênio" desenvolvido pelos cientistas da Rice University concede aos pesquisadores dados valiosos sobre os micróbios por meio de jatos de gás do solo. A versão mais recente é um sensor microbiano robusto de dois estágios que ajudará os bioengenheiros, geobiólogos e outros pesquisadores observam a expressão gênica e a biodisponibilidade de nutrientes em fac-símiles de laboratório de ambientes como solo e sedimentos, sem perturbá-los.

O gás é produzido por micróbios geneticamente modificados para relatar tanto seu ambiente quanto sua atividade e misturado em amostras de solo em experimentos de laboratório contidos. Um gás que vaza informa aos pesquisadores quantos dos micróbios alvo estão presentes e um segundo gás diz aos pesquisadores o que os micróbios estão fazendo. Eventualmente, a equipe do Rice gostaria que os micróbios programados revelassem se e como eles se comunicam entre si.

Detalhes sobre os sensores aparecem no jornal American Chemical Society Biologia Sintética ACS .

A pesquisa em andamento começou em 2015 com uma doação de US $ 1 milhão da W.M. Fundação Keck e é liderado pelo biólogo sintético de Rice Jonathan Silberg, a biogeoquímica Caroline Masiello e a estudante de graduação e principal autora Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Seu objetivo é medir a bioatividade em ambientes opacos, especialmente aqueles em que a mudança do ambiente alteraria os resultados.

Silberg disse que os novos micróbios emissores de gás operam com o mesmo princípio que aqueles que contêm duas proteínas fluorescentes; por exemplo, uma proteína com fluorescência verde marcaria todas as células em um prato e uma vermelha acenderia quando desencadeada por uma atividade microbiana, como a expressão de proteínas ou proximidade de uma molécula específica.

"Nesses sistemas, você pode verificar a proporção de verde para vermelho e saber, na média, o que as células estão fazendo, "disse ele." Mas isso não funciona em solos. "

Atualmente, os pesquisadores medem a atividade microbiana no solo moendo amostras e usando processos como cromatografia líquida de alto desempenho para quantificar seu conteúdo. Isso não apenas elimina a oportunidade de estudar a mesma amostra ao longo do tempo, também limita o escopo dos dados.

"Nosso sistema responde à pergunta certa, "Masiello disse." Os micróbios sabem que esses compostos estão presentes, e o que eles estão fazendo em resposta a eles? "

No sistema de razão-métrica do laboratório Rice, gases que emergem de modificados E. coli ou outros micróbios podem ajudar os cientistas a medir o desenvolvimento do solo. Razão métrica significa que a saída de gás é diretamente proporcional à entrada, neste caso, o nível de atividade que o micróbio detecta.

Em um teste, E. coli foi modificado para expressar enzimas que sintetizam etileno e bromometano. A bactéria continuamente produzia etileno, que permitiu aos pesquisadores monitorar o tamanho da população de micróbios, mas só fez bromometano quando desencadeado por, nesse caso, a biodisponibilidade de acil-homoserina lactonas (AHL), moléculas que facilitam a sinalização entre as bactérias.

Depois de Cheng colocar o E. coli em solo agrícola e definir a temperatura para maximizar os sinais de gás, ela descobriu que adicionar AHL de cadeia curta e longa não afetou a produção de etileno, mas afetou dramaticamente o bromometano. A maior concentração de AHL de cadeia curta aumentou o sinal de bromometano mais do que uma ordem de magnitude, e AHL de cadeia longa quase duas ordens de magnitude.

Testes com outra bactéria, Shewanella, cujo habitat nativo é um sedimento, mostrou resultados robustos semelhantes. "A faixa dinâmica para detecção de produtos químicos com o que Shelly construiu é muito boa, "Silberg disse." Vai variar com o organismo, mas a biologia sintética trata de ajustar tudo isso. "

"O aspecto particularmente útil deste trabalho é o potencial de distinguir entre o que é quimicamente extraível em um ambiente marinho ou de solo e o que um micróbio percebe que está lá, "Masiello disse." Só porque podemos moer um solo e medir algo não significa que as plantas ou micróbios sabem o que está lá. Essas ferramentas são o que precisamos para ser capazes de, pela primeira vez, medir a percepção microbiana de seu ambiente. "

Os micróbios modificados devem ser usados ​​para testes de laboratório e não na natureza. Mas os testes seriam muito mais rápidos do que os processos atuais e permitiriam aos laboratórios monitorar uma amostra continuamente ao longo do tempo. Os pesquisadores antecipam aplicações não apenas em biologia sintética e ciência ambiental, mas também para rastrear o destino ambiental de bactérias intestinais que estão sendo desenvolvidas para diagnósticos e terapêuticas.

Daqui para frente, o laboratório Rice pretende concentrar seus esforços na parte de saída condicional do sensor. "Enquanto estávamos construindo isso, pessoas como o (biocientista do Rice) Jeff Tabor e outros estão padronizando os módulos de detecção, "Silberg disse." Estamos construindo novos módulos de saída que você pode então acoplar à grande diversidade de sensores que eles estão construindo.

"Shelly realmente liderou o caminho para provar que podemos fazer relatórios de gás, e ela foi a primeira a fazer isso em solos, "disse ele." Ela então mostrou que poderíamos fazer isso com a transferência horizontal de genes como parte de nossa prova de conceito, e agora isso. As ferramentas estão chegando lá, e acho que as inscrições serão as próximas. "