Mamy bakterie, które – niczym mikroskopijni zwiadowcy – potrafią sygnalizować obecność zanieczyszczeń, toksyn lub składników odżywczych, a ich sygnały można odczytać... z powietrza. Inżynierowie z MIT połączyli biotechnologię z kamerami hiperspektralnymi. Uzyskaliśmy nowy sposób obserwacji środowiska, który może zrewolucjonizować rolnictwo, ochronę środowiska i nie tylko.
Świat potrzebuje precyzyjnych, skalowalnych metod monitorowania środowiska. Tradycyjne metody są zbyt ograniczone, by efektywnie działać w terenie i wymagają mikroskopów, bliskiego kontaktu, infrastruktury oraz pieniędzy. Tymczasem inżynierowie z MIT pokazali, że można inaczej: wystarczy genetycznie zmodyfikować bakterie tak, aby produkowały cząsteczki emitujące światło w unikalnych długościach fal, widocznych dla specjalistycznych kamer nawet z odległości 90 metrów. Bo kto powiedział, że tak się nie da zrobić?
Sedno rozwiązania tkwi w połączeniu dwóch kwestii: biologii syntetycznej i technologii obrazowania. Zamiast typowego białka fluorescencyjnego (jak popularne GFP), badacze z MIT użyli tzw. reporterów hiperspektralnych – cząsteczek, które emitują skomplikowane, trudne do pomylenia sygnatury świetlne. Kamery hiperspektralne, wykorzystywane m.in. do wykrywania promieniowania w Czarnobylu czy niedoborów składników odżywczych w uprawach, mogą te sygnały precyzyjnie odczytać.
Wykorzystano dwie bakterie: Pseudomonas putida oraz Rubrivivax gelatinosus. Każda z nich została zaprogramowana do produkcji innego reportera – odpowiednio: biliwerdyny (pochodnej rozpadu hemu) oraz bakteriochlorofilu. Dzięki modyfikacjom enzymatycznym oraz zastosowaniu obwodów genetycznych wykrywających obecność innych bakterii lub konkretnych substancji chemicznych (np. arsenu), możliwe było uzyskanie sygnału widzialnego z dużej odległości.
Zastosowań może być mnóstwo. W rolnictwie – czujniki mogłyby informować o poziomie azotu czy obecności toksyn w glebie. W przyszłości możliwe byłoby także ich zastosowanie w komórkach roślin, co zwiększyłoby precyzję upraw i zmniejszyło użycie nawozów. Inne możliwości? Wykrywanie min lądowych, śledzenie rozprzestrzeniania się patogenów, czy nawet zastosowania militarne i kosmiczne. Wszystko zależy od naszej inwencji.
Dzięki obrazowaniu hiperspektralnemu dane można zbierać z dronów lub satelitów – bez potrzeby ingerencji w teren. Przeskanowanie pola zajmuje obecnie 20–30 sekund, a dane są przetwarzane z pomocą algorytmów. Prawda, że cudowne?
Jak zwykle, trzeba pamiętać o pewnych problemach. Naukowcy musieli zrozumieć, które cząsteczki najlepiej nadają się na markery: liczyły się zarówno unikalność sygnatury świetlnej, jak i prostota produkcji w komórce.
Kolejny etap to regulacje. Czujniki muszą przejść procedury w amerykańskich: Agencji Ochrony Środowiska i Departamencie Rolnictwa USA. MIT prowadzi dialog z tymi instytucjami od lat, analizując potencjalne ryzyka i korzyści. Sam projekt otrzymał wsparcie Departamentu Obrony USA oraz Ministerstwa Obrony Izraela — naukowcy mają solidną podbudowę w postaci funduszy.
Czytaj również: Zabijają bakterie, ale nie komórki. Takie podłoża to skarb
Oto jak daleko zaszła biotechnologia. Bakterie stają się nie tylko nośnikami informacji, ale też aktywnymi uczestnikami procesów monitorowania świata wokół nas. Ich językiem nie jest już tylko DNA – ale również... światło. To początek ery, w której natura, inżynieria i technologia przenikają się w służbie planecie i ludziom. Możemy tylko wyobrażać sobie, jak wiele zastosowań jeszcze przed nami – od precyzyjnego rolnictwa, przez ochronę środowiska, aż po eksplorację innych planet.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
