Notícia

Pesquisadores desenvolvem modo mais seguro de implantar bactérias como sensores ambientais

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

sábado, 10 abril 2021 11:20

Áreas

Biotecnologia. Monitoramento Ambiental.

Nos últimos anos, cientistas desenvolveram muitas cepas de bactérias modificadas que podem ser usadas como ‘sensores’ para detectar contaminantes ambientais, como metais pesados. Se implantados no ambiente natural, esses sensores podem ajudar os cientistas a rastrear como os níveis de poluentes mudam ao longo do tempo, em uma ampla área geográfica.

Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram recentemente uma maneira de tornar esse tipo de implantação mais seguro, envolvendo os sensores bacterianos em uma capa de hidrogel resistente que os impede de escapar para o meio ambiente e potencialmente espalhar genes modificados para outros organismos.

“No momento, há muitos biossensores de células inteiras sendo desenvolvidos, mas aplicá-los no mundo real é um desafio porque não queremos que nenhum organismo geneticamente modificado seja capaz de trocar material genético com micróbios selvagens”, disse Tzu-Chieh Tang, estudante de pós-graduação do MIT e um dos principais autores do novo estudo.

Tang e seus colegas mostraram que podiam incorporar E. coli em esferas de hidrogel, permitindo-lhes detectar os contaminantes que procuram enquanto as cepas de bactérias permanecem isoladas de outros organismos. As cápsulas também ajudam a proteger os sensores de danos ambientais.

O Dr. Timothy Lu, professor  de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e de Engenharia Biológica do MIT, e o Dr. Xuanhe Zhao, professor de Engenharia Mecânica e de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, são os autores seniores do estudo, que foi publicado na revista científica Nature Chemical Biology.

Contenção física

Ao projetar bactérias para expressar circuitos genéticos que normalmente não têm, os pesquisadores podem capacitá-las a detectar uma variedade de moléculas diferentes. Frequentemente, os circuitos são projetados para que a detecção do alvo desencadeie a produção de proteína fluorescente verde ou bioluminescência. Em outros circuitos, uma memória do evento é registrada no DNA das células.

Os circuitos genéticos que vão para essas bactérias geralmente incluem genes para resistência a antibióticos, o que permite aos pesquisadores garantir que seu circuito genético foi inserido corretamente nas células bacterianas. No entanto, esses genes podem ser prejudiciais se liberados no meio ambiente. Muitas bactérias e outros micróbios são capazes de trocar genes, mesmo entre espécies diferentes, usando um processo chamado transferência horizontal de genes.

Para tentar evitar esse tipo de troca de genes, os pesquisadores usaram uma estratégia chamada “contenção química”, que envolve projetar os sensores bacterianos para que eles exijam uma molécula artificial que eles não podem obter na natureza. No entanto, em uma população muito grande de bactérias, há uma chance de que um pequeno número adquira mutações que lhes permitam sobreviver sem essa molécula.

Outra opção é a contenção física, obtida pelo encapsulamento das bactérias em um dispositivo que as impede de escapar. No entanto, os materiais que foram testados até agora, como plástico e vidro, não funcionam bem porque formam barreiras de difusão que impedem as bactérias de interagir com as moléculas que foram projetadas para detectar.

Neste estudo, os pesquisadores decidiram tentar encapsular sensores bacterianos em hidrogéis. Estes são materiais elásticos que podem ser formados a partir de uma variedade de diferentes estruturas. Muitos hidrogéis de ocorrência natural, como o alginato, que é derivado de algas, são muito frágeis para proteger as células em um ambiente externo. No entanto, o laboratório do Dr. Zhao já desenvolveu alguns hidrogéis elásticos muito resistentes, que os pesquisadores acreditavam que poderiam ser adequados para encapsular bactérias.

Para fazer as esferas protetoras, os pesquisadores primeiro incorporaram bactérias em alginato, junto com alguns nutrientes essenciais. Essas esferas foram então revestidas com um dos resistentes hidrogéis do laboratório do professor Zhao, que é feito de uma combinação de alginato e poliacrilamida. Essa camada externa tem poros que variam de 5 a 50 nanômetros de diâmetro, o que permite a passagem de moléculas como açúcares ou metais pesados. No entanto, o DNA e proteínas maiores não podem passar.

Detectando a poluição

As esferas que os pesquisadores construíram para este estudo têm cerca de 5 milímetros de diâmetro e podem carregar até 1 bilhão de células bacterianas. Os pesquisadores usaram as esferas para encapsular a bactéria E. coli projetada para detectar o cádmio, um metal pesado.

Para testar os sensores, os pesquisadores os colocaram em amostras de água coletadas no rio Charles. Para determinar se os sensores poderiam detectar poluentes de dentro de suas esferas, os pesquisadores adicionaram cádmio às amostras e descobriram que a bactéria poderia detectá-lo com precisão. Os pesquisadores também mostraram que a bactéria não escapou da esfera nem vazou nenhum material genético.

Os pesquisadores demonstraram que sua técnica de encapsulamento também funcionou com uma cepa diferente de E. coli que foi projetada para ser dependente de uma molécula artificial – um aminoácido não encontrado na natureza.

“Estamos tentando encontrar uma solução para ver se podemos combinar contenção química e física. Dessa forma, se uma deles falhar, a outra pode manter as coisas sob controle ”, disse Tzu-Chieh Tang.

Em estudos futuros, os pesquisadores esperam testar os sensores em um ambiente de modelo que simule as condições do mundo real. Além de detectar contaminantes ambientais, esse tipo de sensor pode ser usado para aplicações médicas, como detecção de sangramento no trato digestivo, disseram os pesquisadores.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do MIT (em inglês).

Fonte: Anne Trafton, MIT News Office. Imagem: Rio Pinheiros, em São Paulo. Fonte: Rafael_Neddermeyer via Pixabay.