p Nos últimos anos, os cientistas desenvolveram muitas cepas de bactérias modificadas que podem ser usadas como sensores para detectar contaminantes ambientais, como metais pesados. Se implantado no ambiente natural, esses sensores podem ajudar os cientistas a rastrear como os níveis de poluentes mudam ao longo do tempo, em uma ampla área geográfica. p Os engenheiros do MIT já criaram uma maneira de tornar esse tipo de implantação mais seguro, ao encerrar sensores bacterianos em uma casca de hidrogel resistente que os impede de escapar para o meio ambiente e potencialmente espalhar genes modificados para outros organismos.

p "No momento, há muitos biossensores de células inteiras sendo desenvolvidos, mas aplicá-los no mundo real é um desafio porque não queremos que nenhum organismo geneticamente modificado seja capaz de trocar material genético com micróbios selvagens, "diz o estudante de pós-graduação do MIT Tzu-Chieh Tang, um dos principais autores do novo estudo.

p Tang e seus colegas mostraram que podiam incorporar E. coli em esferas de hidrogel, permitindo que eles detectem os contaminantes que procuram enquanto permanecem isolados de outros organismos. As cápsulas também ajudam a proteger os sensores de danos ambientais.

p Timothy Lu, um professor associado do MIT de engenharia elétrica e ciência da computação e de engenharia biológica, e Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e de engenharia civil e ambiental do MIT, são os autores seniores do estudo, que aparece hoje em Nature Chemical Biology . Junto com Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 e o estudante de graduação do MIT, Xinyue Liu, também são os principais autores do artigo.

p Contenção física

p Ao projetar bactérias para expressar circuitos genéticos que normalmente não têm, os pesquisadores podem capacitá-los a detectar uma variedade de moléculas diferentes. Muitas vezes, os circuitos são projetados de modo que a detecção do alvo desencadeie a produção de proteína fluorescente verde ou bioluminescência. Em outros circuitos, uma memória do evento é registrada no DNA das células.

p Os circuitos genéticos que entram nessas bactérias geralmente incluem genes para resistência a antibióticos, o que permite aos pesquisadores garantir que seu circuito genético foi inserido corretamente nas células bacterianas. Contudo, esses genes podem ser prejudiciais se liberados no meio ambiente. Muitas bactérias e outros micróbios são capazes de trocar genes, mesmo entre espécies diferentes, usando um processo chamado transferência horizontal de genes.

p Para tentar evitar esse tipo de troca de genes, pesquisadores usaram uma estratégia chamada "contenção química, "que envolve projetar os sensores bacterianos para que exijam uma molécula artificial que eles não possam obter na natureza. No entanto, em uma grande população de bactérias, há uma chance de que um pequeno número adquira mutações que lhes permitam sobreviver sem essa molécula.

p Outra opção é a contenção física, alcançado pelo encapsulamento de bactérias dentro de um dispositivo que as impede de escapar. Contudo, os materiais que foram testados até agora, como plástico e vidro, não funcionam bem porque formam barreiras de difusão que impedem as bactérias de interagir com as moléculas que foram projetadas para detectar.

p Neste estudo, os pesquisadores decidiram tentar encapsular sensores bacterianos em hidrogéis. Estes são materiais elásticos que podem ser formados a partir de uma variedade de diferentes blocos de construção. Muitos hidrogéis de ocorrência natural, como alginato, que é derivado de algas, são muito frágeis para proteger as células em um ambiente externo. Contudo, O laboratório de Zhao desenvolveu anteriormente alguns muito difíceis, hidrogéis elásticos, que os pesquisadores acreditavam que poderia ser adequado para encapsular bactérias.

p Para fazer as esferas protetoras, os pesquisadores primeiro incorporaram bactérias em alginato, junto com alguns nutrientes essenciais. Essas esferas foram então revestidas com um dos resistentes hidrogéis de Zhao, que é feito de uma combinação de alginato e poliacrilamida. Esta camada externa tem poros que variam de 5 a 50 nanômetros de diâmetro, que permite a passagem de moléculas como açúcares ou metais pesados. Contudo, O DNA e proteínas maiores não podem passar.

p Detectando poluição

p As esferas que os pesquisadores construíram para este estudo têm cerca de 5 milímetros de diâmetro e podem carregar até 1 bilhão de células bacterianas. Os pesquisadores usaram as esferas para encapsular a bactéria E. coli projetada para detectar o cádmio, um metal pesado.

p Para testar os sensores, os pesquisadores os colocaram em amostras de água coletadas no rio Charles. Para determinar se os sensores podem detectar poluentes de dentro de suas esferas, os pesquisadores adicionaram cádmio às amostras e descobriram que a bactéria poderia detectá-lo com precisão. Os pesquisadores também mostraram que a bactéria não escapou da esfera nem vazou nenhum material genético.

p Os pesquisadores demonstraram que sua técnica de encapsulamento também funcionou com uma cepa diferente de E. coli que foi projetada para ser dependente de uma molécula artificial - um aminoácido não encontrado na natureza.

p "Estamos tentando encontrar uma solução para ver se podemos combinar contenção química e física. Dessa forma, se um deles falhou, o outro pode manter as coisas sob controle, "Tang diz.

p Em estudos futuros, os pesquisadores esperam testar os sensores em um ambiente de modelo que simule as condições do mundo real. Além de detectar contaminantes ambientais, este tipo de sensor pode ser potencialmente usado para aplicações médicas, como detecção de sangramento no trato digestivo, dizem os pesquisadores. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.