Bacterias de diseño emiten señales que pueden detectarse a distancia

Bacterias de diseño capacitadas para que sus células generen combinaciones únicas de color han demostrado que pueden emitir señales a una distancia de hasta 90 metros.

Científicos del MIT afirman que este avance podría conducir al desarrollo de sensores bacterianos para aplicaciones agrícolas y de otro tipo, que podrían ser monitoreados por drones o satélites.

"Es una nueva forma de extraer información de la célula. Si estás de pie junto a ella, no puedes ver nada a simple vista, pero a cientos de metros de distancia, usando cámaras específicas, puedes obtener la información cuando se activa", afirma en un comunicado Christopher Voigt, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT y autor principal del nuevo estudio.

En un artículo publicado en Nature Biotechnology, los investigadores demostraron que podían diseñar dos tipos diferentes de bacterias para producir moléculas que emiten longitudes de onda de luz distintivas en los espectros visible e infrarrojo, que pueden visualizarse con cámaras hiperespectrales. Estas moléculas indicadoras se vincularon a circuitos genéticos que detectan bacterias cercanas, pero este enfoque también podría combinarse con cualquier sensor existente, como los de arsénico u otros contaminantes, según los investigadores.

"Lo bueno de esta tecnología es que se puede conectar y usar cualquier sensor que se desee", afirma Yonatan Chemla, investigador postdoctoral del MIT y uno de los autores principales del artículo. "No hay razón para que ningún sensor sea incompatible con esta tecnología".

Para la detección a larga distancia, el equipo del MIT tuvo la idea de diseñar células para producir moléculas indicadoras hiperespectrales, que pueden detectarse mediante cámaras hiperespectrales. Estas cámaras, inventadas en la década de 1970, pueden determinar la cantidad de cada longitud de onda de color presente en un píxel. En lugar de mostrarse simplemente como rojo o verde, cada píxel contiene información sobre cientos de longitudes de onda de luz diferentes.

CÁMARAS UTILIZADAS EN CHERNÓBIL

Actualmente, las cámaras hiperespectrales se utilizan para aplicaciones como la detección de la presencia de radiación. En las zonas cercanas a Chernóbil, estas cámaras se han utilizado para medir ligeros cambios de color que los metales radiactivos producen en la clorofila de las células vegetales. También se utilizan para buscar signos de desnutrición o invasión de patógenos en las plantas.

Este trabajo inspiró al equipo del MIT a explorar si podrían diseñar células bacterianas para producir indicadores hiperespectrales al detectar una molécula objetivo. Para que un reportero hiperespectral sea lo más útil posible, debe tener una firma espectral con picos en múltiples longitudes de onda de luz, lo que facilita su detección.

Los investigadores realizaron cálculos cuánticos para predecir las firmas hiperespectrales de unas 20.000 moléculas celulares naturales, lo que les permitió identificar aquellas con los patrones de emisión de luz más singulares. Otra característica clave es la cantidad de enzimas que se necesitaría introducir en una célula para que produzca el reportero, una característica que varía según el tipo de célula.

En este estudio, los investigadores identificaron dos moléculas diferentes que se adaptaban mejor a dos tipos de bacterias. Para una bacteria del suelo llamada Pseudomonas putida, utilizaron un reportero llamado biliverdina, un pigmento resultante de la descomposición del hemo. Para una bacteria acuática llamada Rubrivivax gelatinosus, utilizaron un tipo de bacterioclorofila. Para cada bacteria, los investigadores diseñaron las enzimas necesarias para producir el reportero en la célula huésped y luego las vincularon a circuitos sensores modificados genéticamente.