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Quando você bate no dedo com um martelo, sente a dor imediatamente. E você reage imediatamente.
Mas e se a dor vier 20 minutos após o golpe? Até então, a lesão pode ser mais difícil de curar.
Cientistas e engenheiros da Rice University dizem que o mesmo vale para o meio ambiente. Se um derramamento químico em um rio passar despercebido por 20 minutos, pode ser tarde demais para remediar.
Seus sensores bioeletrônicos vivos podem ajudar. Uma equipe liderada pelos biólogos sintéticos da Rice Caroline Ajo-Franklin e Jonathan (Joff) Silberg e os autores principais Josh Atkinson e Lin Su, ambos ex-alunos da Rice, projetaram bactérias para detectar e relatar rapidamente a presença de uma variedade de contaminantes.
Seu estudo em Natureza mostra que as células podem ser programadas para identificar invasores químicos e relatar em minutos, liberando uma corrente elétrica detectável.
Esses dispositivos “inteligentes” podem se alimentar sozinhos ao coletar energia no ambiente, pois monitoram as condições em ambientes como rios, fazendas, indústrias e estações de tratamento de águas residuais e para garantir a segurança da água, de acordo com os pesquisadores.
As informações ambientais comunicadas por essas bactérias auto-replicantes podem ser personalizadas substituindo uma única proteína na cadeia sintética de transporte de elétrons de oito componentes que dá origem ao sinal do sensor.
“Acho que é a via de proteína mais complexa para sinalização em tempo real que foi construída até hoje”, disse Silberg, diretor do Ph.D de Sistemas, Biologia Sintética e Física da Rice. Programa. “Para simplificar, imagine um fio que direciona os elétrons para fluir de um produto químico celular para um eletrodo, mas quebramos o fio no meio. Quando a molécula-alvo atinge, ela se reconecta e eletrifica todo o caminho.”
“É literalmente um interruptor elétrico em miniatura”, disse Ajo-Franklin.
“Você coloca as sondas na água e mede a corrente”, disse ela. “É simples assim. Nossos dispositivos são diferentes porque os micróbios são encapsulados. Não os liberamos no meio ambiente.”
A bactéria de prova de conceito dos pesquisadores foi a Escherichia coli, e seu primeiro alvo foi o tiossulfato, um agente de dicloração usado no tratamento de água que pode causar a proliferação de algas. E havia fontes convenientes de água para testar: Galveston Beach e Brays e Buffalo bayous de Houston.
Eles coletaram água de cada um. A princípio, eles prenderam suas E. coli a eletrodos, mas os micróbios se recusaram a ficar parados. “Eles não aderem naturalmente a um eletrodo”, disse Ajo-Franklin. “Estamos usando cepas que não formam biofilmes, então, quando adicionamos água, elas caem”.
Quando isso acontecia, os eletrodos emitiam mais ruído do que sinal.
Recrutando o coautor Xu Zhang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ajo-Franklin, eles encapsularam os sensores em agarose na forma de um pirulito que permitia a entrada de contaminantes, mas mantinha os sensores no lugar, reduzindo o ruído.
“A formação de Xu é em engenharia ambiental”, disse Ajo-Franklin. “Ela não entrou e disse, ‘Oh, nós temos que consertar a biologia.’ Ela disse: ‘O que podemos fazer com os materiais?’ Foi preciso um trabalho excelente e inovador no lado dos materiais para fazer a biologia sintética brilhar.”
Com as restrições físicas em vigor, os laboratórios primeiro codificaram E. coli para expressar uma via sintética que só gera corrente quando encontra tiossulfato. Este sensor vivo foi capaz de detectar este produto químico em níveis inferiores a 0,25 milimoles por litro, muito abaixo dos níveis tóxicos para os peixes.
Em outro experimento, E. coli foi recodificado para detectar um desregulador endócrino. Isso também funcionou bem, e os sinais foram muito aprimorados quando nanopartículas condutoras sintetizadas por Su foram encapsuladas com as células no pirulito de agarose. Os pesquisadores relataram que esses sensores encapsulados detectam esse contaminante até 10 vezes mais rápido do que os dispositivos de última geração anteriores.
O estudo começou por acaso quando Atkinson e Moshe Baruch, do grupo de Ajo-Franklin do Laboratório Nacional Berkeley Lawrence, se estabeleceram um ao lado do outro em uma conferência de biologia sintética em 2015 em Chicago, com pôsteres que rapidamente perceberam delineando diferentes aspectos da mesma ideia.
“Tínhamos cartazes vizinhos por causa de nossos sobrenomes”, disse Atkinson. “Passamos a maior parte da sessão de pôsteres conversando sobre os projetos uns dos outros e como havia sinergias claras em nossos interesses na interface de células com eletrodos e elétrons como transportador de informações”.
“O pôster de Josh teve nosso primeiro módulo: como pegar informações químicas e transformá-las em informações bioquímicas”, lembrou Ajo-Franklin. “Moshe tinha o terceiro módulo: como pegar informações bioquímicas e transformá-las em um sinal elétrico.
“O problema era como ligá-los juntos”, disse ela. “Os sinais bioquímicos eram um pouco diferentes.”
“Dissemos: ‘Precisamos nos reunir e conversar sobre isso!’”, lembrou Silberg. Dentro de seis meses, os novos colaboradores ganharam financiamento inicial do Office of Naval Research, seguido de uma bolsa, para desenvolver a ideia.
“O grupo de Joff trouxe a engenharia de proteínas e metade da via de transferência de elétrons”, disse Ajo-Franklin. “Meu grupo trouxe a outra metade da via de transporte de elétrons e alguns dos esforços de materiais.” A colaboração finalmente trouxe a própria Ajo-Franklin para Rice em 2019 como bolsista do CPRIT.
“Temos que dar muito crédito a Lin e Josh”, disse ela. “Eles nunca desistiram deste projeto, e foi incrivelmente sinérgico. Eles trocavam ideias e através desse intercâmbio resolviam muitos problemas.”
“Cada um dos quais outro aluno poderia passar anos”, acrescentou Silberg.
“Tanto Josh quanto eu passamos vários anos de nossos doutorados trabalhando nisso, com a pressão de se formar e passar para o próximo estágio de nossas carreiras”, disse Su, um estudante de pós-graduação visitante no laboratório de Ajo-Franklin depois de se formar no Sudeste Universidade na China. “Tive que estender meu visto várias vezes para ficar e terminar a pesquisa.”
Silberg disse que a complexidade do projeto vai muito além da via de sinalização. “A cadeia tem oito componentes que controlam o fluxo de elétrons, mas existem outros componentes que constroem os fios que entram nas moléculas”, disse ele. “Há uma dúzia e meia de componentes com quase 30 cofatores metálicos ou orgânicos. Essa coisa é enorme em comparação com algo como nossas cadeias respiratórias mitocondriais.”
Todos creditaram a ajuda inestimável do co-autor George Bennett, professor emérito de E. Dell Butcher da Rice e professor de pesquisa em biociências, para fazer as conexões necessárias.
Silberg disse que vê micróbios projetados realizando muitas tarefas no futuro, desde monitorar o microbioma intestinal até detectar contaminantes como vírus, aprimorando a estratégia bem-sucedida de testar plantas de águas residuais para SARS-CoV-19 durante a pandemia.
“O monitoramento em tempo real se torna muito importante com esses pulsos transitórios”, disse ele. “E porque nós cultivamos esses sensores, eles são potencialmente muito baratos de fazer.”
Para esse fim, a equipe está colaborando com Rafael Verduzco, professor Rice de engenharia química e biomolecular e de ciência de materiais e nanoengenharia, que lidera uma recente doação de US$ 2 milhões da National Science Foundation com Ajo-Franklin, Silberg, a biocientista Kirstin Matthews e especialistas civis e ambientais. engenheira Lauren Stadler para desenvolver monitoramento de águas residuais em tempo real.
“O tipo de materiais que podemos fazer com Raphael leva isso a um nível totalmente novo”, disse Ajo-Franklin.
Silberg disse que os laboratórios Rice estão trabalhando em regras de design para desenvolver uma biblioteca de sensores modulares. “Espero que quando as pessoas lerem isso, elas reconheçam as oportunidades”, disse ele.
Silberg é o Stewart Memorial Professor of BioSciences e professor de bioengenharia na Rice. Ajo-Franklin é professor de biociências. Atkinson é bolsista visitante de pós-doutorado da National Science Foundation na Universidade de Aarhus, na Dinamarca, e tem uma afiliação com a Universidade do Sul da Califórnia. Su é um associado de pesquisa de pós-doutorado e um Leverhulme Early Career Fellow na Universidade de Cambridge.
A pesquisa foi apoiada pelo Office of Science, Office of Basic Energy Sciences of the US Department of Energy (DE-SC0014462), Office of Naval Research (0001418IP00037, N00014-17-1-2639, N00014-20-1-2274 ), o Cancer Prevention and Research Institute of Texas (RR190063), a National Science Foundation (1843556), o Department of Energy Office of Science Graduate Student Research Program (DE SC0014664), a Lodieska Stockbridge Vaughn Fellowship e a China Scholarship Council Fellowship ( CSC-201606090098).
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