Bactérias modificadas emitem sinais que podem ser vistos à distância

Instituto de Tecnologia de Massachusetts 

As bactérias podem ser projetadas para detectar uma variedade de moléculas, como poluentes ou nutrientes do solo. Na maioria dos casos, no entanto, esses sinais só podem ser detectados olhando para as células ao microscópio, tornando-as impraticáveis para uso em larga escala.

Usando um novo método que aciona as células para produzir moléculas que geram combinações únicas de cores, os engenheiros do MIT mostraram que podem ler esses sinais bacterianos a até 90 metros de distância. Seu trabalho pode levar ao desenvolvimento de sensores bacterianos para aplicações agrícolas e outras, que podem ser monitorados por drones ou satélites.

“É uma nova maneira de obter informações fora da célula. Se você estiver ao lado dele, não poderá ver nada a olho nu, mas a centenas de metros de distância, usando câmeras específicas, você pode obter as informações quando ele for ligado”, diz Christopher Voigt, chefe do Departamento de Engenharia Biológica do MIT e autor sênior do novo estudo.

Em um artigo publicado na sexta-feira (11) na Nature Biotechnology, os pesquisadores mostraram que poderiam projetar dois tipos diferentes de bactérias para produzir moléculas que emitem comprimentos de onda distintos de luz nos espectros visível e infravermelho da luz, que podem ser fotografados com câmeras hiperespectrais. Essas moléculas de relatório estavam ligadas a circuitos genéticos que detectam bactérias próximas, mas essa abordagem também pode ser combinada com qualquer sensor existente, como os de arsênico ou outros contaminantes, dizem os pesquisadores.

“O bom dessa tecnologia é que você pode conectar e usar qualquer sensor que quiser”, diz Yonatan Chemla, um pós-doutorado do MIT que é um dos principais autores do artigo. “Não há razão para que qualquer sensor não seja compatível com essa tecnologia.”

Imagem hiperespectral

Existem muitas maneiras de projetar células bacterianas para que elas possam sentir um produto químico específico. A maioria deles funciona conectando a detecção de uma molécula a uma saída, como a proteína fluorescente verde (GFP). Eles funcionam bem para estudos de laboratório, mas esses sensores não podem ser medidos a longas distâncias.

Para sensoriamento de longa distância, a equipe do MIT teve a ideia de projetar células para produzir moléculas repórteres hiperespectrais, que podem ser detectadas usando câmeras hiperespectrais. Essas câmeras, que foram inventadas pela primeira vez na década de 1970, podem determinar quanto de cada comprimento de onda de cor está presente em qualquer pixel. Em vez de aparecer simplesmente como vermelho ou verde, cada pixel contém informações sobre centenas de comprimentos de onda diferentes de luz.

Atualmente, as câmeras hiperespectrais são usadas para aplicações como a detecção da presença de radiação. Nas áreas ao redor de Chernobyl, essas câmeras têm sido usadas para medir pequenas mudanças de cor que os metais radioativos produzem na clorofila das células vegetais. Câmeras hiperespectrais também são usadas para procurar sinais de desnutrição ou invasão de patógenos em plantas.

Esse trabalho inspirou a equipe do MIT a explorar se eles poderiam projetar células bacterianas para produzir repórteres hiperespectrais quando detectassem uma molécula-alvo.

Para que um repórter hiperespectral seja mais útil, ele deve ter uma assinatura espectral com picos em vários comprimentos de onda de luz, facilitando a detecção. Os pesquisadores realizaram cálculos quânticos para prever as assinaturas hiperespectrais de cerca de 20.000 moléculas celulares que ocorrem naturalmente, permitindo-lhes identificar aquelas com os padrões mais exclusivos de emissão de luz. Outra característica importante é o número de enzimas que precisariam ser projetadas em uma célula para que ela produzisse o repórter – uma característica que varia para diferentes tipos de células.

“A molécula ideal é aquela que é realmente diferente de todo o resto, tornando-a detectável e requer o menor número de enzimas para produzi-la na célula”, diz Voigt.

Neste estudo, os pesquisadores identificaram duas moléculas diferentes que eram mais adequadas para dois tipos de bactérias. Para uma bactéria do solo chamada Pseudomonas putida, eles usaram um repórter chamado biliverdina – um pigmento que resulta da quebra do heme. Para uma bactéria aquática chamada Rubrivivax gelatinosus, eles usaram um tipo de bacterioclorofila. Para cada bactéria, os pesquisadores projetaram as enzimas necessárias para produzir o repórter na célula hospedeira e, em seguida, as ligaram a circuitos de sensores geneticamente modificados.

“Você pode adicionar um desses repórteres a uma bactéria ou a qualquer célula que tenha um sensor geneticamente codificado em seu genoma. Então, ele pode responder a metais, radiação, toxinas no solo, nutrientes no solo, ou o que quer que você queira que ele responda. Então, a saída disso seria a produção dessa molécula que pode ser sentida de longe”, diz Voigt.

Detecção de longa distância

Neste estudo, os pesquisadores ligaram os repórteres hiperespectrais a circuitos projetados para detecção de quorum, que permitem que as células detectem outras bactérias próximas. Eles também mostraram, no trabalho feito após este artigo, que essas moléculas de relatório podem ser ligadas a sensores para produtos químicos, incluindo arsênico.

Ao testar seus sensores, os pesquisadores os implantaram em caixas para que permanecessem contidos. As caixas foram colocadas em campos, desertos ou nos telhados de edifícios, e as células produziram sinais que podiam ser detectados usando câmeras hiperespectrais montadas em drones. As câmeras levam cerca de 20 a 30 segundos para escanear o campo de visão, e os algoritmos de computador analisam os sinais para revelar se os repórteres hiperespectrais estão presentes.

Neste artigo, os pesquisadores relataram imagens de uma distância máxima de 90 metros, mas agora estão trabalhando para estender essas distâncias.

Eles preveem que esses sensores possam ser implantados para fins agrícolas, como detectar níveis de nitrogênio ou nutrientes no solo. Para essas aplicações, os sensores também podem ser projetados para funcionar em células vegetais. A detecção de minas terrestres é outra aplicação potencial para esse tipo de detecção.

Antes de serem implantados, os sensores precisariam passar por aprovação regulatória da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, bem como do Departamento de Agricultura dos EUA, se usados para a agricultura. Voigt e Chemla têm trabalhado com ambas as agências, a comunidade científica e outras partes interessadas para determinar que tipos de perguntas precisam ser respondidas antes que essas tecnologias possam ser aprovadas.

“Estivemos muito ocupados nos últimos três anos trabalhando para entender quais são os cenários regulatórios e quais são as preocupações de segurança, quais são os riscos, quais são os benefícios desse tipo de tecnologia?” diz Chemla.

A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Defesa dos EUA; o Escritório de Pesquisa do Exército, uma diretoria do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA; e o Ministério da Defesa de Israel.