Dans les années récentes, les scientifiques ont développé de nombreuses souches de bactéries modifiées qui peuvent être utilisées comme capteurs pour détecter les contaminants environnementaux tels que les métaux lourds. S'il est déployé dans le milieu naturel, ces capteurs pourraient aider les scientifiques à suivre l'évolution des niveaux de polluants au fil du temps, sur une vaste zone géographique.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant conçu un moyen de rendre ce type de déploiement plus sûr, en enfermant des capteurs bactériens dans une enveloppe d'hydrogel résistante qui les empêche de s'échapper dans l'environnement et de potentiellement propager des gènes modifiés à d'autres organismes.

« À l'heure actuelle, de nombreux biocapteurs à cellules entières sont en cours de développement, mais les appliquer dans le monde réel est un défi car nous ne voulons pas que des organismes génétiquement modifiés puissent échanger du matériel génétique avec des microbes de type sauvage, " déclare Tzu-Chieh Tang, étudiant diplômé du MIT, l'un des principaux auteurs de la nouvelle étude.

Tang et ses collègues ont montré qu'ils pouvaient intégrer E. coli dans des sphères d'hydrogel, leur permettant de détecter les contaminants qu'ils recherchent tout en restant isolés des autres organismes. Les coques aident également à protéger les capteurs des dommages environnementaux.

Timothée Lou, professeur agrégé au MIT en génie électrique et informatique et en génie biologique, et Xuanhe Zhao, professeur au MIT de génie mécanique et de génie civil et environnemental, sont les auteurs principaux de l'étude, qui apparaît aujourd'hui dans Nature Chimie Biologie . Avec Tang, Eleonore Tham Ph.D. '18 et Xinyue Liu, étudiante diplômée du MIT, sont également les principaux auteurs de l'article.

Confinement physique

En créant des bactéries pour exprimer des circuits génétiques qu'elles n'ont pas normalement, les chercheurs peuvent leur permettre de détecter une variété de molécules différentes. Souvent, les circuits sont conçus pour que la détection de la cible déclenche la production de protéine fluorescente verte ou de bioluminescence. Dans d'autres circuits, un souvenir de l'événement est enregistré dans l'ADN des cellules.

Les circuits génétiques qui entrent dans ces bactéries comprennent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques, ce qui permet aux chercheurs de s'assurer que leur circuit génétique a été correctement inséré dans les cellules bactériennes. Cependant, ces gènes pourraient être nocifs s'ils étaient libérés dans l'environnement. De nombreuses bactéries et autres microbes sont capables d'échanger des gènes, même entre différentes espèces, en utilisant un processus appelé transfert horizontal de gènes.

Pour essayer d'empêcher ce genre d'échange de gènes, les chercheurs ont utilisé une stratégie appelée « confinement chimique, " qui implique de concevoir les capteurs bactériens pour qu'ils nécessitent une molécule artificielle qu'ils ne peuvent pas obtenir dans la nature. Cependant, dans une très grande population de bactéries, il y a une chance qu'un petit nombre acquière des mutations qui leur permettent de survivre sans cette molécule.

Une autre option est le confinement physique, obtenu en encapsulant les bactéries dans un dispositif qui les empêche de s'échapper. Cependant, les matériaux qui ont été essayés jusqu'à présent, comme le plastique et le verre, ne fonctionnent pas bien car ils forment des barrières de diffusion empêchant les bactéries d'interagir avec les molécules qu'elles sont conçues pour détecter.

Dans cette étude, les chercheurs ont décidé d'essayer d'encapsuler des capteurs bactériens dans des hydrogels. Ce sont des matériaux extensibles qui peuvent être formés à partir d'une variété de blocs de construction différents. De nombreux hydrogels naturels, comme l'alginate, qui est dérivé d'algues, sont trop fragiles pour protéger les cellules dans un environnement extérieur. Cependant, Le laboratoire de Zhao a déjà développé des hydrogels extensibles, qui, selon les chercheurs, pourraient convenir pour encapsuler des bactéries.

Pour faire les sphères protectrices, les chercheurs ont d'abord intégré des bactéries dans de l'alginate, ainsi que certains nutriments essentiels. Ces sphères ont ensuite été recouvertes d'un des hydrogels résistants de Zhao, qui est fabriqué à partir d'une combinaison d'alginate et de polyacrylamide. Cette couche externe présente des pores allant de 5 à 50 nanomètres de diamètre, qui laisse passer des molécules comme les sucres ou les métaux lourds. Cependant, L'ADN et les protéines plus grosses ne peuvent pas passer.

Détecter la pollution

Les sphères que les chercheurs ont construites pour cette étude mesurent environ 5 millimètres de diamètre et peuvent contenir jusqu'à 1 milliard de cellules bactériennes. Les chercheurs ont utilisé les sphères pour encapsuler des bactéries E. coli conçues pour détecter le cadmium, un métal lourd.

Pour tester les capteurs, les chercheurs les ont placés dans des échantillons d'eau prélevés dans la rivière Charles. Pour déterminer si les capteurs pouvaient détecter des polluants à l'intérieur de leurs sphères, les chercheurs ont ajouté du cadmium aux échantillons et ont découvert que la bactérie pouvait le détecter avec précision. Les chercheurs ont également montré que la bactérie ne s'était pas échappée de la sphère et n'avait laissé échapper aucun matériel génétique.

Les chercheurs ont démontré que leur technique d'encapsulation fonctionnait également avec une souche différente d'E. coli conçue pour dépendre d'une molécule artificielle, un acide aminé introuvable dans la nature.

"Nous essayons de trouver une solution pour voir si nous pouvons combiner le confinement chimique et physique. De cette façon, si l'un d'eux a échoué, l'autre peut contrôler les choses, " dit Tang.

Dans les études futures, les chercheurs espèrent tester les capteurs dans un environnement modèle qui simulerait des conditions réelles. En plus de détecter les contaminants environnementaux, ce type de capteur pourrait potentiellement être utilisé pour des applications médicales telles que la détection de saignements au niveau du tube digestif, disent les chercheurs.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.