Forscher erkennen Fluorid in Wasser mit neuem einfachen Farbänderungstest

Umweltschadstoffe wie Fluorid, Blei und Pestizide sind überall um uns herum und sogar in uns vorhanden. Während Forscher die Konzentrationen solcher Schadstoffe in Laborumgebungen auf einfache Weise messen können, sind die Konzentrationen im Feld viel schwieriger zu testen. Das liegt daran, dass sie kostspielige Spezialausrüstung erfordern.

Jüngste Bemühungen in der synthetischen Biologie haben zelluläre Biosensoren genutzt, um Umweltschadstoffe auf kostengünstige und vor Ort einsetzbare Weise sowohl zu erkennen als auch zu melden. Auch wenn Fortschritte gemacht werden, ringen Wissenschaftler um die Beantwortung der Frage, wie Sensorkomponenten vor Substanzen geschützt werden können, die natürlicherweise in extrahierten Proben vorkommen.

Ein interdisziplinäres Team von synthetischen Biologen an der Northwestern University entwickelt eine Sensorplattform, die in der Lage sein wird, eine Reihe von Umwelt- und biologischen Zielen in realen Proben zu erkennen. Unter Verwendung eines etablierten Riboschalters zum Bau eines Biosensors für Fluorid stellte das Team fest, dass sie sowohl den Sensor schützen als auch ähnlich wie Zellen funktionieren konnten, indem sie den Sensor in eine Fettmembran einkapselten.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschrittehaben Forscher gezeigt, dass sie durch Modifizieren des Aufbaus und der Penetrierbarkeit der Lipiddoppelschichtmembran die Leistung ihres Sensors weiter abstimmen und steuern können.

„Es werden so viele Daten generiert, und viele davon werden von Gesundheits-Apps wie Smart Watches gesteuert“, sagte Julius Lucks, Co-korrespondierender Autor und Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern McCormick School of Engineering. „Wir können unseren Herzschlag und unsere Temperatur spüren, aber wenn Sie darüber nachdenken, haben wir wirklich keine Möglichkeit, chemische Dinge zu spüren. Wir leben in einem Informationszeitalter, aber die Informationen, die wir haben, sind so winzig – die chemische Sensorik eröffnet enorme Dimensionen von Informationen, auf die Sie zugreifen können.“

Lucks ist auch stellvertretender Vorsitzender der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen. Sein Labor hat das Verständnis des Feldes von molekularen Systemen, die auf Umweltveränderungen reagieren, durch die Untersuchung von RNA und ihrer Rolle in Zellen vorangetrieben; wie RNA von Zellen verwendet wird, um Veränderungen in ihrer Umgebung wahrzunehmen; und wie diese Konzepte in zellfreien Systemen eingesetzt werden können, um die Umwelt auf Gesundheit und Nachhaltigkeit zu überwachen.

Die zellfreie synthetische Biologie, bei der technisch hergestellte biomolekulare Systeme zur Aktivierung biologischer Maschinen anstelle von lebenden Zellen verwendet werden, ist überzeugend, weil sie effizient, vielseitig und kostengünstig ist. Lucks entwarf einen Riboswitch-Sensor, der Bakterienzellextrakte verwendet, um Genexpressionsreaktionen (einschließlich fluoreszierender RNA oder Proteine, die als Reaktion auf Verunreinigungen aufleuchten) anzutreiben, die kostengünstig und innerhalb von Minuten visuelle Ausgaben erzeugen.

Neha Kamat, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik bei McCormick und Co-Korrespondenzautorin, traf Lucks ursprünglich bei ihrer Fakultätsorientierung und war an seinem Wunsch interessiert, den Zugang zu Informationen zu erweitern. Kamat, deren Expertise in technischen Membranen und Membranmontage liegt, fragte sich, ob sie das Reagenzglassystem von Lucks mit einem Vesikel, einer Membran mit zwei Schichten, verbessern könnte.

„Sie verwenden RNA und die damit verbundene Maschinerie, um Moleküle in echten Wasserproben zu erkennen und aussagekräftige Ergebnisse zu erzeugen“, sagte Kamat. „Mein Labor arbeitet viel mit den Lipiden, die üblicherweise zur Einkapselung von mRNA für die Arzneimittelabgabe verwendet werden, mit dem Ziel, diese Kompartimente zu nutzen, um zellähnlichere Strukturen aufzubauen. Wir hatten die Idee, dass wir Julius-Schalter schützen und ihnen ermöglichen könnten, in Proben zu arbeiten das könnte mit anderen Verunreinigungen verschmutzt sein, wie eine Zelle.“

Andere Forscher haben versucht, einen Sensor in einer Membran zu platzieren, aber der Schalter funktionierte nicht mehr richtig und erzeugte ein viel kleineres Signal, weil es schwierig ist, alles in den kleinen Behälter zu passen und ihn dann zu vergrößern. Um dies zu überwinden, modifizierte das Team die genetische Ausgabe im Sensor, um sie zu verstärken und zu färben, sodass sie mit dem Auge sichtbar ist und „man dafür keinen ausgefallenen Detektor braucht“, sagte Lucks.

Kapselung und Schutz sind für den Sensor wichtig, damit er in natürlichen Umgebungen funktioniert, wie z. B. in einem Abwasserkanal mit vielen anderen Verunreinigungen, die den Schalter erodieren. Dies wäre ein Beispiel für „verteilte Sensorik“, die in Bereichen von der Landwirtschaft bis zur menschlichen Gesundheit hilfreich sein könnte.

Die Gruppe kam offizieller zusammen, als sie den Cornew Innovation Award des Northwestern Chemistry of Life Processes Institute (CLP) erhielt, indem sie ihre „potenziell disruptive“ Idee dem Beirat des CLP vorstellten.

Lucks nennt dieses Projekt einen „Sprungpunkt“, von dem aus sie Sensoren in mehr Materialien einbetten können, einschließlich „intelligenter“ Materialien, die Eigenschaften ändern können, wie in der Biologie.

„Als synthetische Biologen ist es eines unserer Hauptthemen, Herausforderungen zu erkennen und auf die Natur zu schauen“, sagte Lucks. „Was tut es bereits? Können wir darauf aufbauen und es dazu bringen, unsere Anforderungen zu erfüllen?“

Fluorid wurde zur offensichtlichen Wahl, weil es ein natürliches RNA-Molekül gibt, das es wahrnimmt, wodurch das Team einen einfacheren Mechanismus entwickeln konnte. Aber in Zukunft haben Kamat und Lucks große Ambitionen, wo der Einsatz der Sensoren ausgeweitet werden kann.

Beispielsweise könnten die Sensoren durch den menschlichen Körper fließen, um kleine Moleküle und Biomarker zu erkennen, bevor der Sensor durch Urin oder eine andere passive Methode wiedergewonnen wird. Es könnte auch Nitratwerte im Boden erkennen und bei der Überwachung des Abflusses helfen. Darüber hinaus sind Lucks und Kamat gespannt auf Anwendungen in der Materialwissenschaft wie Soft Robotics und denken darüber nach, wie man etwas bauen kann, das einem Schmetterling ähnelt, der durch seine Füße riecht.