Un capteur microbien robuste à deux étages développé à l'Université Rice aidera les chercheurs à observer l'expression des gènes et la biodisponibilité des nutriments dans des environnements comme le sol et les sédiments sans les perturber. Plutôt que de fluorescence, comme les biocapteurs actuels, ceux-ci libèrent du gaz pour signaler la présence et l'activité de leurs microbes hôtes. Crédit :Ilenne Del Valle/Université Rice
Un gène "génie" développé par des scientifiques de l'Université Rice fournit aux chercheurs des données précieuses sur les microbes grâce à des bouffées de gaz provenant du sol. La dernière version est un capteur microbien robuste à deux étages qui aidera les bio-ingénieurs, les géobiologistes et autres chercheurs observent l'expression des gènes et la biodisponibilité des nutriments dans des fac-similés de laboratoire d'environnements comme le sol et les sédiments sans les perturber.
Le gaz est produit par des microbes génétiquement modifiés pour rendre compte à la fois de leur environnement et de leur activité et mélangé à des échantillons de sol lors d'expériences en laboratoire confinées. Un gaz qui s'échappe indique aux chercheurs combien de microbes cibles sont présents et un second gaz indique aux chercheurs ce que font les microbes. Finalement, l'équipe Rice aimerait que les microbes programmés révèlent s'ils communiquent entre eux et comment.
Les détails sur les capteurs apparaissent dans le journal de l'American Chemical Society ACS Biologie Synthétique .
La recherche en cours a commencé en 2015 avec une subvention de 1 million de dollars du W.M. Keck Foundation et est dirigé par le biologiste synthétique Rice Jonathan Silberg, la biogéochimiste Caroline Masiello et l'étudiante diplômée et auteure principale Hsiao-Ying (Shelly) Cheng. Leur objectif a été de mesurer la bioactivité dans des environnements opaques, en particulier ceux où la modification de l'environnement modifierait les résultats.
Silberg a déclaré que les nouveaux microbes émetteurs de gaz fonctionnent sur le même principe que ceux qui contiennent deux protéines fluorescentes; par exemple, une protéine fluorescente verte marquerait toutes les cellules d'une boîte et une rouge s'allumerait lorsqu'elle serait déclenchée par une activité microbienne, comme l'expression d'une protéine ou la proximité d'une molécule spécifique.
« Dans ces systèmes, vous pouvez vérifier le rapport du vert au rouge et savoir, en moyenne, ce que font les cellules, " dit-il. " Mais ça ne marche pas dans les sols. "
Actuellement, les chercheurs mesurent l'activité microbienne dans le sol en broyant des échantillons et en utilisant des procédés comme la chromatographie liquide à haute performance pour quantifier leur contenu. Cela élimine non seulement la possibilité d'étudier le même échantillon au fil du temps, cela limite également la portée des données.
"Notre système répond à la bonne question, " dit Masiello. " Les microbes savent-ils que ces composés sont présents, et que font-ils en réponse à eux ? »
Les biocapteurs à deux étages développés par l'étudiant diplômé de l'Université Rice Hsiao-Ying (Shelly) Cheng sont programmés pour libérer des bouffées de gaz pour signaler leur présence et leurs niveaux d'activité dans les bactéries génétiquement modifiées comme E. coli. Ils imitent les caractéristiques des capteurs fluorescents utilisés par les scientifiques pour surveiller l'activité biologique, mais dans des environnements opaques comme le sol. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Dans le système ratiométrique du laboratoire Rice, les gaz qui se dégagent de la modification E. coli ou d'autres microbes pourraient aider les scientifiques à mesurer le développement du sol. Ratio-métrique signifie que la sortie de gaz est directement proportionnelle à l'entrée, dans ce cas, le niveau d'activité détecté par le microbe.
Dans un essai, E. coli a été modifié pour exprimer des enzymes qui synthétisent l'éthylène et le bromométhane. La bactérie fabriquait en continu de l'éthylène, qui a permis aux chercheurs de surveiller la taille de la population microbienne, mais ne fabriquait du bromométhane que lorsqu'il était déclenché par, dans ce cas, la biodisponibilité des acylhomosérine lactones (AHL), molécules qui facilitent la signalisation entre les bactéries.
Après que Cheng ait mis le E. coli dans le sol agricole et régler la température pour maximiser les signaux de gaz, elle a découvert que l'ajout d'AHL à chaîne courte et longue n'affectait pas la production d'éthylène mais affectait considérablement le bromométhane. La concentration la plus élevée d'AHL à chaîne courte a augmenté le signal de bromométhane de plus d'un ordre de grandeur, et AHL à longue chaîne de près de deux ordres de grandeur.
Tests avec une autre bactérie, Shewanella, dont l'habitat naturel est un sédiment, ont montré des résultats tout aussi robustes. "La plage dynamique de détection des produits chimiques avec ce que Shelly a construit est très bonne, " dit Silberg. " Cela variera avec l'organisme, mais la biologie synthétique consiste vraiment à régler tout cela. »
Hsiao-Ying (Shelly) Cheng, étudiant diplômé de l'Université Rice, a dirigé un projet visant à développer des capteurs microbiens à deux étages capables d'observer et de rendre compte de l'expression des gènes et de la biodisponibilité des nutriments dans des environnements tels que le sol et les fluides sans les perturber. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"L'aspect particulièrement utile de ce travail est le potentiel de faire la distinction entre ce qui est chimiquement extractible dans un environnement marin ou du sol et ce qu'un microbe perçoit là-bas, " a déclaré Masiello. " Ce n'est pas parce que nous pouvons broyer un sol et mesurer quelque chose que les plantes ou les microbes savent ce qui s'y trouve. Ces outils sont ce dont nous avons besoin pour pouvoir, pour la première fois, mesurer la perception microbienne de leur environnement."
Les microbes modifiés sont destinés à être utilisés pour des tests en laboratoire et non dans la nature. Mais les tests seraient beaucoup plus rapides que les processus actuels et permettraient aux laboratoires de surveiller un échantillon en continu au fil du temps. Les chercheurs prévoient des applications non seulement en biologie synthétique et en sciences de l'environnement, mais également pour le suivi du devenir environnemental des bactéries intestinales développées pour le diagnostic et la thérapeutique.
Aller de l'avant, le laboratoire Rice entend concentrer ses efforts sur la partie sortie conditionnelle du capteur. "Alors que nous construisons ceci, des gens comme (le bioscientifique de Rice) Jeff Tabor et d'autres normalisent les modules de détection, " a déclaré Silberg. "Nous construisons de nouveaux modules de sortie que vous pourrez ensuite coupler à la grande diversité de capteurs qu'ils construisent.
" Shelly a vraiment ouvert la voie pour prouver que nous pouvons faire des rapports sur le gaz, et elle fut la première à le faire dans les sols, " a-t-il déclaré. " Elle a ensuite montré que nous pouvions le faire avec le transfert horizontal de gènes dans le cadre de notre preuve de concept, et maintenant ça. Les outils arrivent juste là, et je pense que les candidatures seront les prochaines."
