Quando se trata de testar água potável para contaminantes perigosos, como metais pesados ​​como chumbo ou cádmio, o teste contínuo diretamente nas torneiras das quais as pessoas bebem é importante. Ainda, muito pouco desse tipo de teste de água é feito. Uma equipe da UC San Diego e do campus Quantitative BioSciences está trabalhando para melhorar a situação.

"Água pode ser boa para beber, bom para beber, bom para beber ... e então não é, "disse Natalie Cookson ('08), ex-aluno de bioengenharia da UC San Diego, ao explicar o valor do monitoramento contínuo da água potável, em comparação com o monitoramento esporádico da água.

Ela espera que este trabalho produza sistemas de teste de água acessíveis que possam ser instalados nas torneiras em que as pessoas realmente bebem. A água que estava saindo da estação de tratamento em Flint Michigan, por exemplo, não tinha níveis perigosamente altos de chumbo. Mas quando a mesma água saiu das torneiras dos residentes de Flint, chumbo estava na água.

Uma equipe da UC San Diego e da Quantitative BioSciences tem uma nova abordagem para o monitoramento contínuo da contaminação por metais pesados ​​na água potável usando bactérias como sensores de contaminação. A equipe publicou recentemente seus avanços na revista Proceedings of the National Academy of Science ( PNAS )

"Nossa principal prioridade é fazer um trabalho do qual nos orgulhamos e que terá um impacto, "disse Cookson.

Embora existam algumas opções para testes de metais pesados ​​em água residencial, existem técnicos, limitações de custo e logísticas que estão atrapalhando a disseminação, monitoramento contínuo da água da torneira dentro das casas, escolas e fazendas. A equipe de San Diego está tentando remover essas barreiras.

E. coli como testadores de água

A nova abordagem de monitoramento de água depende de cepas inofensivas da bactéria E. coli para realmente detectar contaminantes de metais pesados. Enquanto a E. coli faz manchetes em conexão com intoxicação alimentar, cepas inofensivas do micróbio são usadas em laboratórios em todo o mundo para diversos fins de pesquisa.

Eles são os ratos de laboratório do mundo bacteriano.

"Ok E. coli, "disse Nick Csicsery." Se o arsênico está lá e você sabe disso, nos informe."

Às vezes, a E. coli sabia e às vezes eles não, "dependendo do metal, "explicou Csicsery. Recentemente, ele obteve seu Ph.D. em bioengenharia no Laboratório Hasty da UC San Diego e ingressou na Quantitative BioSciences, onde ele está trabalhando no desenvolvimento de técnicas de monitoramento baseadas em biologia sintética.

Como esses micróbios "nos informam" sobre a presença de um perigoso metal pesado na água?

A resposta é que os genomas bacterianos reagem aos contaminantes de maneiras que os humanos aprenderam a reconhecer.

“Temos acesso ao código de vida que nos rodeia, "disse Gregoire Thouvenin, um doutorado em bioengenharia da UC San Diego. aluno e outro dos co-primeiros autores no PNAS papel. "Quando você estuda micróbios, você vai mais fundo e percebe que eles estão mais conectados a tudo o mais do que você pensava inicialmente. "

Nesse caso, aproveitar essas conexões exigiu pesquisadores de muitos campos, incluindo bioengenharia, biologia sintética, microfluídica, matemática e ciência de dados para combinar forças. O resultado é um sistema que monitora a água por duas semanas e reconhece quando os contaminantes na água alteram o comportamento genético de 2, 000 cepas diferentes de bactérias.

Hotel E. coli

Neste sistema de teste de água movido por bactérias, cada cepa de bactéria vive dentro de sua própria pequena câmara, e todos os 2, 000 cepas são alinhadas no mesmo chip feito de um material translúcido duro. Existem pequenos canais que fornecem água, contaminantes e alimentos para cada uma das câmaras de forma controlada.

Estes 2, Cada mil cepas bacterianas têm um pouco de material genético inserido em um pequeno pedaço circular de seu DNA (um plasmídeo) que permite uma saída de fluorescência para "destacar" a atividade de um gene específico. Quando um contaminante da água interage com o gene inserido, as bactérias se acendem.

Com sua configuração de microfluídica, os pesquisadores podem registrar quais cepas acendem quando. Este padrão de piscar é registrado e alimentado em um sistema de inteligência artificial. O resultado é uma capacidade automatizada de identificar quando a bactéria encontra contaminantes de metais pesados ​​específicos na água, com base no padrão de luzes sendo produzido pela bactéria. Bioengenharia Ph.D. o aluno Garrett Graham liderou a parte de ciência de dados e inteligência artificial do projeto. (Ele se formou e está trabalhando como analista de dados climáticos no Instituto de Estudos Climáticos da Carolina do Norte.)

A ideia é que os sistemas sejam instalados em locais onde as pessoas realmente bebam água, a fim de identificar água contaminada.

Enquanto os pesquisadores escolheram a identificação de metais pesados ​​para demonstrar o poder e a flexibilidade de seu sistema, seus componentes de inteligência artificial poderiam ser treinados para identificar outros contaminantes também.

A arte e a ciência de fazer

Um dos grandes avanços deste projeto foi descobrir como projetar, construir e executar o sistema para inserir, habitação, alimentando e acompanhando os 2, 000 cepas diferentes de bactérias ao longo de duas semanas.

Lizzy Stasiowski e Nick Csicsery lideraram o projeto e a fabricação do sistema que permite todos os 2, 000 cepas de E. coli devem ser carregadas no sistema de uma vez.

Este projeto mesclou a arte e a ciência de "fazer" com a biologia sintética, análise genômica e aprendizado de máquina, para criar um sistema preparado para fazer o bem no mundo.

"Uma das minhas coisas favoritas sobre este projeto é como ele pode ser versátil. Nosso sistema permite monitorar mudanças dinâmicas na expressão gênica de milhares de cepas bacterianas simultaneamente a qualquer mudança ambiental. É um projeto relevante tanto para a indústria quanto para a academia, "disse Stasiowski.

Recentemente, ela concluiu seu doutorado em bioengenharia. na UC San Diego e é Vertex Pharmaceuticals Fellow em San Diego, trabalhando em pesquisa e desenvolvimento de instrumentação.

"Embora eu ache o foco em metais pesados ​​interessante em termos de uma cuidadosa prova de conceito, Estou muito animado com a tecnologia como ferramenta de triagem para pesquisadores e empresas que se concentram em biologia sintética, "disse Jeff Hasty, um professor de bioengenharia e biologia da UC San Diego que é o autor sênior do artigo PNAS. "A tecnologia está bem posicionada para a descoberta de genes que respondem a sinais complexos que são encontrados em aplicações médicas e ambientais."

Usado como ferramenta de triagem, a combinação única da plataforma de microfluídica e inteligência artificial pode ajudar a lançar uma nova luz sobre os mecanismos que permitem às células interpretar e reagir a ambientes em mudança, e permitir o teste de cepas sintéticas projetadas para interagir com o ambiente de novas maneiras. As técnicas de rastreio existentes raramente têm a resolução temporal e o rendimento necessários para o fazer. Portanto, a plataforma tem o potencial de ser de grande valor para biólogos sintéticos (que projetam e implementam novas funções em células vivas) e biólogos de sistemas (que constroem modelos abrangentes de todas as reações que ocorrem em uma célula).

Thouvenin tornou-se um pouco mais filosófico. "As coisas vivas ao nosso redor são maleáveis ​​e foram lindamente moldadas e criadas pela evolução ao longo de milhões de anos. E agora temos acesso a isso, tanto em termos de compreensão, reaproveitando-o, e, por fim, otimizando-o para um mundo em mudança. "