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Nature Paper stellt Reislaboren bahnbrechende bioelektronische Geräte vor – ScienceDaily

Wenn Sie mit einem Hammer auf Ihren Finger klopfen, spüren Sie sofort Schmerzen. Und Sie reagieren sofort.

Aber was, wenn der Schmerz 20 Minuten nach der Verletzung auftritt? Bis dahin kann die Verletzung schwer zu heilen sein.

Wissenschaftler und Ingenieure der Rice College sagen, dass dasselbe für die Umwelt gilt. Wenn die chemische Verschüttung im Fluss 20 Minuten lang unbemerkt bleibt, kann es zu spät sein, sie zu beheben.

Ihre bioelektronischen Sensoren könnten helfen. Ein Staff unter der Leitung der synthetischen Biologen von Rice, Carolyn Ajo Franklin und Jonathan (Goff) Silberg, und der Hauptautoren Josh Atkinson und Lyn Sue, beide Alumni von Rice, konstruierte Bakterien, um das Vorhandensein einer Vielzahl von Verunreinigungen schnell zu erkennen und zu melden.

ihr Studium in Natur temperieren Es zeigt, dass Zellen so programmiert werden können, dass sie chemische Eindringlinge innerhalb von Minuten identifizieren und melden, indem sie einen nachweisbaren elektrischen Strom freisetzen.

Diese “intelligenten” Geräte können sich selbst mit Strom versorgen, indem sie Energie aus der Umgebung sammeln, während sie die Bedingungen an Orten wie Flüssen, Bauernhöfen, Industrie und Kläranlagen überwachen und die Wassersicherheit gewährleisten, so die Forscher.

Die von diesen selbstreplizierenden Bakterien übermittelten Umweltinformationen können angepasst werden, indem ein einzelnes Protein in der aus acht Komponenten bestehenden synthetischen Elektronentransportkette, die das Sensorsignal hervorruft, ersetzt wird.

„Ich denke, dies ist der komplexeste proteomische Echtzeit-Signalweg, der bisher gebaut wurde“, sagte Silberg, Direktor von Rice Methods, PhD in synthetischer und physikalischer Biologie. ein Programm. „Um es einfach auszudrücken, stellen Sie sich einen Draht vor, der Elektronen so leitet, dass sie von einer Zellchemikalie zu einer Elektrode fließen, aber wir haben den Draht in der Mitte gebrochen. Wenn das Molekül auf das Ziel trifft, verbindet es sich wieder und elektrisiert den gesamten Weg.“

“Es ist buchstäblich ein Miniaturschalter”, sagte Ajo Franklin.

„Man steckt die Sonden ins Wasser und misst die Strömung“, sagte sie. „So einfach ist das. Unsere Geräte sind anders, weil die Mikroben eingekapselt sind. Wir setzen sie nicht in die Umwelt frei.“

Das Bakterium, das die Idee der Forscher bestätigte, conflict Escherichia coli, und ihr erstes Ziel conflict Thiosulfat, ein dichloriertes Wasserbehandlungsmittel, das Algenblüten verursachen kann. Es gab geeignete Wasserquellen zum Testen: Galveston Seashore, Houston Worth Seashore und Buffalo Bays.

Sie sammelten Wasser von jedem von ihnen. Zuerst befestigten sie ihre E. coli an Elektroden, aber die Mikroben weigerten sich, an Ort und Stelle zu bleiben. “Sie haften normalerweise nicht an der Elektrode”, sagte Ajo Franklin. “Wir verwenden Stämme, die keine Biofilme bilden, additionally fallen sie ab, wenn wir Wasser hinzufügen.”

Wenn dies geschah, machten die Elektroden mehr Rauschen als das Sign.

Sie brachten Co-Autor Xu Zhang, einen Postdoktoranden im Ajo-Franklin-Labor, hinzu und umhüllten die Sensoren in Agarosein in einer Lollipop-Type, die die Schadstoffe hineinließ, aber die Sensoren an Ort und Stelle hielt, wodurch das Rauschen reduziert wurde.

„Shaws Hintergrund liegt in der Umwelttechnik“, sagte Ajo Franklin. „Sie kam nicht herein und sagte: ‚Oh, wir müssen die Biologie reparieren. ‘ Sie sagte: ‘Was können wir mit Materialien machen?’ Es bedurfte einiger ziemlich beeindruckender und innovativer Arbeit auf der Materialseite, um die Synthetische Biologie zum Leuchten zu bringen.”

Mit physikalischen Einschränkungen codierten die Labore zunächst E. coli, um einen Syntheseweg zu exprimieren, der nur dann Strom erzeugt, wenn er mit Thiosulfat in Kontakt kommt. Dieser lebende Sensor conflict in der Lage, diese Chemikalie in Konzentrationen unter 0,25 mmol professional Liter zu erfassen, weit unter den für Fische giftigen Werten.

In einem anderen Experiment wurde Escherichia coli so umkodiert, dass es sich als endokriner Disruptor anfühlt. Auch das funktionierte intestine, und die Signale wurden stark verstärkt, als die von Su speziell synthetisierten leitfähigen Nanopartikel mit den Zellen im Agarose-Sauger beschichtet wurden. Die Forscher berichten, dass diese gekapselten Sensoren diese Verunreinigung bis zu zehnmal schneller erkennen als frühere, hochmoderne Geräte.

Die Studie begann zufällig, als Atkinson und Moshe Baruch von In the past Franklins Gruppe am Berkeley Lawrence Nationwide Laboratory auf der Artificial Biology Convention 2015 in Chicago ein Tandem gründeten, mit Postern, die sie schnell erkannten und die verschiedene Seiten derselben Idee illustrierten.

„Wir hatten nebenan Plakate wegen unserer Nachnamen“, sagte Atkinson. “Wir verbrachten die meiste Zeit der Postersession damit, über die Projekte des anderen zu sprechen und darüber, dass es eine klare Synergie in unserem Interesse gab, Zellen mit Elektroden und Elektronen als Informationsträger zu verbinden.”

„Joshs Poster enthält unsere erste Einheit: Wie man chemische Informationen nimmt und sie in biochemische Informationen umwandelt“, erinnert sich Ajo-Franklin. Moshe hatte die dritte Einheit: wie man biochemische Informationen nimmt und sie in ein elektrisches Sign umwandelt.

„Wichtig ist, wie sie miteinander umgehen“, sagte sie. “Die biochemischen Signale waren ein wenig anders.”

“Wir sagten: ‘Wir müssen zusammenkommen und darüber reden'”, erinnert sich Silberg. Innerhalb von sechs Monaten erhielten die neuen Mitarbeiter eine Startfinanzierung vom Workplace of Naval Analysis, gefolgt von einem Stipendium zur Entwicklung der Idee.

“Joes Gruppe brachte das Protein-Engineering und die Hälfte des Elektronentransportwegs”, sagte Ajo Franklin. „Meine Gruppe hat die andere Hälfte des Elektronentransferpfads und etwas Materialaufwand mitgebracht.“ Die Zusammenarbeit brachte Ajo-Franklin 2019 schließlich selbst als CPRIT-Forscherin zu Rice.

„Wir müssen Lynn und Josh viel Anerkennung zollen“, sagte sie. „Sie haben dieses Projekt nie aufgegeben, und es conflict unglaublich synergetisch. Sie haben Ideen hin und her getauscht und durch diesen Austausch viele Probleme gelöst.“

“In jedem könnte ein anderer Schüler Jahre verbringen”, fügte Silberg hinzu.

sagte Su, eine Gaststudentin im Labor von Ajo-Franklin nach ihrem Abschluss an der Southeast College in China. “Ich musste mein Visum mehrmals verlängern, um zu bleiben und die Suche zu beenden.”

Silberg sagte, die Komplexität des Designs gehe weit über den Signalweg hinaus. „Die Kette hat acht Komponenten, die den Elektronenfluss steuern, aber es gibt noch andere Komponenten, die die Drähte bilden, die in die Moleküle eindringen“, sagte er. “Ein Dutzendeinhalb Zutaten enthalten etwa 30 mineralische oder organische Cofaktoren. Dieses Ding ist riesig im Vergleich zu so etwas wie mitochondrialen Atmungsketten.”

Alle Anerkennung für die unschätzbare Hilfe des Co-Autors George Bennett, Rice E. Dale Butcher Emeritus Professor und Forschungsprofessor für Biowissenschaften, bei der Herstellung der notwendigen Verbindungen.

Silberg sagte, er sehe technisch hergestellte Mikroben in der Zukunft viele Aufgaben erfüllen, von der Überwachung des Darmmikrobioms über die Erkennung von Schadstoffen wie Viren bis hin zur Verbesserung der erfolgreichen Strategie, Abwasseranlagen während einer Pandemie auf SARS-CoV-19 zu testen.

„Echtzeitüberwachung wird bei diesen transienten Impulsen sehr wichtig“, sagte er. “Und weil wir diese Sensoren entwickeln, sind sie wahrscheinlich sehr billig herzustellen.”

Zu diesem Zweck arbeitet das Staff mit Rafael Verduzco, dem Rice-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, Materialwissenschaften und Nanotechnik, zusammen, der zusammen mit Ajo-Franklin und Silberg, der Biologin Kirstin Matthews und Civil and Umwelt. Ingenieurin Lauren Stadler zur Entwicklung einer Abwasserüberwachung in Echtzeit.

„Die Artwork von Materialien, die wir mit Raphael herstellen können, bringt dies auf eine ganz neue Ebene“, sagte Ajo-Franklin.

Silberg sagte, dass Rice Labs an Designregeln arbeite, um eine Bibliothek modularer Sensoren zu entwickeln. „Ich hoffe, die Leute erkennen, wenn sie von diesen Möglichkeiten lesen“, sagte er.

Silberg ist Professor für Biowissenschaften am Stewart Memorial und Professor für Bioengineering am Rice. Ajo Franklin Professor für Biowissenschaften. Atkinson ist Visiting Postdoctoral Fellow an der Nationwide Science Basis der Universität Aarhus, Dänemark, und hat eine Verbindung zur College of Southern California. Sue ist Postdoctoral Analysis Fellow und Leverhulme Early Employment Fellow an der College of Cambridge.

Die Forschung wurde vom Workplace of Science, US Division of Power Workplace of Fundamental Power Sciences (DE-SC0014462), Workplace of Naval Analysis (0001418IP00037, N00014-17-1-2639, N00014-20-1-2274) und unterstützt Institute for Most cancers Prevention and Analysis in Texas (RR190063), Nationwide Science Basis (1843556), Division of Power Graduate Pupil Analysis Program (DE SC0014664), Ludeska Stockbridge Vaughn Fellowship und China Scholarship Council Fellowship (CSC-201606090098).

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