Lorsqu'il s'agit de tester l'eau potable pour les contaminants dangereux, comme les métaux lourds comme le plomb ou le cadmium, il est important de tester en continu directement à partir des robinets où les gens boivent. Encore, très peu de ce type d'analyse de l'eau est effectué. Une équipe de l'UC San Diego et du campus dérivé Quantitative BioSciences s'efforce d'améliorer la situation.

"L'eau peut être bonne à boire, bien à boire, bien à boire... et puis ce n'est pas le cas, " a déclaré Natalie Cookson ('08), ancienne élève de l'UC San Diego en bio-ingénierie, en expliquant la valeur de la surveillance continue de l'eau potable, par rapport à la surveillance sporadique de l'eau.

Elle espère que ce travail produira des systèmes de test d'eau abordables qui pourront être installés aux robinets où les gens boivent réellement. L'eau qui sortait de l'usine de traitement de Flint Michigan, par exemple, n'avait pas de niveaux de plomb dangereusement élevés. Mais au moment où cette même eau coulait des robinets des résidents de Flint, le plomb était dans l'eau.

Une équipe de l'UC San Diego et de Quantitative BioSciences a une nouvelle approche de la surveillance continue de la contamination par les métaux lourds dans l'eau potable en utilisant des bactéries comme capteurs de contamination. L'équipe a récemment publié ses avancées dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

"Notre priorité absolue est de faire un travail dont nous sommes fiers et qui aura un impact, " a déclaré Cookson.

Bien qu'il existe certaines options pour l'analyse de l'eau résidentielle des métaux lourds, il y a des techniques, des contraintes de coûts et logistiques qui se généralisent, surveillance continue de l'eau du robinet à l'intérieur des maisons, écoles et fermes. L'équipe de San Diego cherche à éliminer ces obstacles.

E. coli comme testeurs d'eau

La nouvelle approche de surveillance de l'eau repose sur des souches inoffensives de bactéries E. coli pour détecter les contaminants de métaux lourds. Alors qu'E. coli fait les gros titres en lien avec les intoxications alimentaires, des souches inoffensives du microbe sont utilisées dans les laboratoires du monde entier à de nombreuses fins de recherche différentes.

Ce sont les rats de laboratoire du monde bactérien.

"D'accord E. coli, " a déclaré Nick Csicsery. " Si l'arsenic est là et vous le savez, Faites le nous savoir."

Parfois les E. coli le savaient et parfois ils ne le savaient pas, "selon le métal, " a expliqué Csicsery. Il a récemment obtenu son doctorat en bio-ingénierie dans le laboratoire Hasty de l'UC San Diego et a rejoint Quantitative BioSciences, où il travaille au développement de techniques de surveillance basées sur la biologie synthétique.

Comment ces microbes « nous informent-ils » de la présence d'un métal lourd dangereux dans l'eau ?

La réponse est que les génomes bactériens réagissent aux contaminants d'une manière que les humains ont appris à reconnaître.

"Nous avons accès au code de la vie qui nous entoure, " dit Grégoire Thouvenin, un doctorat en bio-ingénierie de l'UC San Diego. étudiant et un autre des co-premiers auteurs sur le PNAS papier. « Quand vous étudiez les microbes, vous creusez plus profondément et vous réalisez qu'ils sont plus connectés à tout le reste que vous ne le pensiez au départ."

Dans ce cas, exploiter ces connexions a nécessité des chercheurs de nombreux domaines, y compris la bio-ingénierie, la biologie de synthèse, microfluidique, mathématiques et science des données pour unir leurs forces. Le résultat est un système qui surveille l'eau pendant deux semaines et reconnaît quand les contaminants dans l'eau modifient le comportement génétique de 2, 000 souches différentes de bactéries.

Hôtel E. coli

Dans ce système d'analyse de l'eau basé sur les bactéries, chaque souche de bactérie vit dans sa propre petite chambre, et tous les 2, 000 souches sont alignées dans une même puce faite d'un matériau translucide dur. Il y a de minuscules canaux qui fournissent de l'eau, contaminants et aliments à chacune des chambres de manière contrôlée.

Ces 2, 000 souches bactériennes ont chacune un morceau de matériel génétique inséré dans un petit morceau circulaire de son ADN (un plasmide) qui permet à une sortie de fluorescence de « mettre en évidence » l'activité d'un gène spécifique. Lorsqu'un contaminant de l'eau interagit avec le gène inséré, les bactéries s'allument.

Avec leur configuration microfluidique, les chercheurs peuvent enregistrer quelles souches s'allument à quel moment. Ce modèle de clignotement est enregistré et introduit dans un système d'intelligence artificielle. Le résultat est une capacité automatisée d'identifier quand les bactéries rencontrent des contaminants de métaux lourds spécifiques dans l'eau, basé sur le modèle des lumières produites par les bactéries. Doctorat en bio-ingénierie L'étudiant Garrett Graham a dirigé la partie science des données et intelligence artificielle du projet. (Il est diplômé et travaille comme analyste de données climatiques au North Carolina Institute for Climate Studies.)

L'idée est que les systèmes soient installés dans des endroits où les gens boivent réellement de l'eau, afin d'identifier l'eau contaminée.

Alors que les chercheurs ont choisi l'identification des métaux lourds pour démontrer la puissance et la flexibilité de leur système, ses composants d'intelligence artificielle pourraient également être entraînés à identifier d'autres contaminants.

L'art et la science de faire

L'une des grandes avancées de ce projet a été de trouver comment concevoir, construire et exécuter le système d'insertion, logement, nourrir et suivre les 2, 000 souches différentes de bactéries en deux semaines.

Lizzy Stasiowski et Nick Csicsery ont dirigé la conception et la fabrication du système qui permet à tous les 2, 000 souches d'E. coli à charger dans le système en une seule fois.

Ce projet a fusionné l'art et la science du "faire" avec la biologie synthétique, analyse génomique et machine learning, pour créer un système prêt à faire le bien dans le monde.

"L'une de mes choses préférées à propos de ce projet est sa polyvalence. Notre système vous permet de surveiller les changements dynamiques de l'expression des gènes pour des milliers de souches bactériennes simultanément à tout changement environnemental. C'est un projet qui est pertinent à la fois pour l'industrie et le monde universitaire, " a déclaré Stasiowski.

Elle a récemment terminé son doctorat en bio-ingénierie. à l'UC San Diego et est boursier Vertex Pharmaceuticals à San Diego et travaille sur la recherche et le développement d'instruments.

« Bien que je trouve l'accent mis sur les métaux lourds intéressant en termes de preuve de concept minutieuse, Je suis très enthousiasmé par la technologie en tant qu'outil de dépistage pour les chercheurs et les entreprises qui se concentrent sur la biologie synthétique, " a déclaré Jeff Hasty, un professeur de bio-ingénierie et de biologie de l'UC San Diego qui est l'auteur principal de l'article PNAS. "La technologie est bien positionnée pour la découverte de gènes qui répondent à des signaux complexes que l'on trouve dans les applications environnementales et médicales."

Utilisé comme outil de dépistage, la combinaison unique de microfluidique et d'intelligence artificielle de la plateforme pourrait aider à jeter un nouvel éclairage sur les mécanismes qui permettent aux cellules d'interpréter et de réagir à des environnements changeants, et permettre le test de souches synthétiques conçues pour interagir avec l'environnement de nouvelles manières. Les techniques de criblage existantes ont rarement à la fois la résolution temporelle et le débit nécessaires pour le faire. Par conséquent, la plate-forme a le potentiel d'être d'une grande valeur pour les biologistes synthétiques (qui conçoivent et mettent en œuvre de nouvelles fonctions dans les cellules vivantes) et les biologistes des systèmes (qui construisent des modèles complets de toutes les réactions se produisant dans une cellule).

Thouvenin est devenu un peu plus philosophe. "Les êtres vivants autour de nous sont malléables et ils ont été magnifiquement façonnés et fabriqués par l'évolution au cours de millions d'années. Et maintenant nous y avons accès, à la fois pour le comprendre, le réutiliser, et finalement l'optimiser pour un monde en évolution."