In einem Beispiel für lebensähnliche Kunst haben Biologen und Bioingenieure an der UC San Diego eine lebendige Leuchtreklame geschaffen, die aus Millionen von Bakterienzellen besteht, die periodisch im Einklang wie blinkende Glühbirnen fluoreszieren.
Ihre Errungenschaft, die diese Woche in der Online-Vorabausgabe der Zeitschrift Nature beschrieben wird, bestand darin, ein fluoreszierendes Protein an die biologischen Uhren der Bakterien zu binden, die Uhren von Tausenden von Bakterien in einer Kolonie zu synchronisieren und dann Tausende von Bakterien zu synchronisieren blinkende Bakterienkolonien, die gleichzeitig ein- und ausgehen.
Ein bisschen Kunst mit viel mehr Biotechnik, die blinkenden bakteriellen Zeichen sind nicht nur eine visuelle Darstellung, wie Forscher auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie lebende Zellen wie Maschinen konstruieren können, sondern werden wahrscheinlich zu einigen echten führen -Lebensanwendungen.
Mit der gleichen Methode, um die blinkenden Zeichen zu erzeugen, entwickelten die Forscher einen einfachen Bakteriensensor, der in der Lage ist, niedrige Arsenwerte zu erkennen. In diesem biologischen Sensor zeigt eine Abnahme der Frequenz der Schwingungen des Blinkmusters der Zellen das Vorhandensein und die Menge des Arsengifts an.
Da Bakterien empfindlich auf viele Arten von Umweltschadstoffen und Organismen reagieren, glauben die Wissenschaftler, dass dieser Ansatz auch verwendet werden könnte, um kostengünstige bakterielle Biosensoren zu entwickeln, die in der Lage sind, eine Reihe von Schwermetallschadstoffen und krankheitsverursachenden Organismen zu erkennen. Und da der Sensor aus lebenden Organismen besteht, kann er im Gegensatz zu vielen chemischen Sensoren auf Änderungen in der Anwesenheit oder Menge der Toxine im Laufe der Zeit reagieren.
"Diese Arten von lebenden Sensoren sind faszinierend, da sie dazu dienen können, eine bestimmte Probe über lange Zeiträume kontinuierlich zu überwachen, während die meisten Nachweiskits für eine einmalige Messung verwendet werden", sagte Jeff Hasty, Professor für Biologie und Bioingenieurwesen an der UC San Diego, der das Forschungsteam der Abteilung für biologische Wissenschaften und des BioCircuits Institute der Universität leitete. "Da die Bakterien unterschiedlich auf unterschiedliche Konzentrationen reagieren, indem sie die Häufigkeit ihres Blinkmusters variieren, können sie kontinuierlich darüber informieren, wie gefährlich ein Toxin oder Krankheitserreger zu einem bestimmten Zeitpunkt ist."
"Diese Entwicklung zeigt, wie grundlegendes, quantitatives Wissen über zelluläre Sch altkreise auf die neue Disziplin der synthetischen Biologie angewendet werden kann", sagte James Anderson, der die Stipendien für synthetische Biologie am National Institute of General Medical Sciences der National Institutes of He alth überwacht, die die Forschung teilweise finanzierten."Indem er den Grundstein für die Entwicklung neuer Geräte zum Nachweis von Schadstoffen oder Krankheitserregern legt, weist der neue Sensor von Dr. Hasty den Weg zur Umsetzung der Forschung der synthetischen Biologie in eine Technologie zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit."
Die Entwicklung der Techniken zur Herstellung des Sensors und des blinkenden Displays baut auf der Arbeit von Wissenschaftlern der Abteilung für Biowissenschaften und der School of Engineering auf, die sie in den letzten vier Jahren in zwei früheren Nature-Artikeln veröffentlicht haben. In der ersten Veröffentlichung demonstrierten die Wissenschaftler, wie sie einen Weg entwickelt hatten, eine robuste und einstellbare biologische Uhr zu konstruieren, um blinkende, leuchtende Bakterien zu produzieren. In der zweiten Veröffentlichung aus dem Jahr 2010 zeigten die Forscher, wie sie auf der Grundlage eines von Bakterien verwendeten Kommunikationsmechanismus ein Netzwerk entwarfen und bauten, das es ihnen ermöglichte, alle biologischen Uhren innerhalb einer Bakterienkolonie zu synchronisieren, sodass Tausende von Bakterien blinken würden an und aus im Einklang.
"Von vielen Bakterienarten ist bekannt, dass sie über einen Mechanismus kommunizieren, der als Quorum Sensing bekannt ist, d. h. kleine Moleküle zwischen ihnen weiterleiten, um verschiedene Verh altensweisen auszulösen und zu koordinieren", sagte Hasty und erklärte, wie die Synchronisation innerhalb einer Bakterienkolonie funktioniert. "Andere Bakterien sind dafür bekannt, diesen Kommunikationsmechanismus zu stören, indem sie diese Relaismoleküle abbauen."
Aber die Forscher fanden heraus, dass dieselbe Methode nicht verwendet werden konnte, um Millionen von Bakterien aus Tausenden von Kolonien sofort zu synchronisieren.
"Wenn Sie eine Reihe von Zellen haben, die oszillieren, ist die Signallaufzeit zu lang, um 60 Millionen andere Zellen sofort über Quorum Sensing zu synchronisieren", sagte Hasty. Die Wissenschaftler entdeckten jedoch, dass jede der Kolonien Gase abgibt, die, wenn sie von den Tausenden anderer Kolonien innerhalb eines speziell entwickelten Mikrofluidik-Chips geteilt werden, alle Millionen von Bakterien auf dem Chip synchronisieren können. „Die Kolonien werden über das Gassignal synchronisiert, aber die Zellen werden über Quorum Sensing synchronisiert. Die Kopplung ist synergistisch in dem Sinne, dass die große, aber lokale Quorum-Kommunikation notwendig ist, um ein Signal zu erzeugen, das groß genug ist, um die Kopplung über den Gasaustausch anzutreiben", fügte Hasty hinzu.
Die Doktoranden Arthur Prindle, Phillip Samayoa und Ivan Razinkov entwarfen die mikrofluidischen Chips, von denen die größten 50 bis 60 Millionen Bakterienzellen enth alten und etwa so groß sind wie eine Büroklammer oder ein Deckglas für ein Mikroskop. Die kleineren mikrofluidischen Chips, die etwa 2,5 Millionen Zellen enth alten, sind etwa ein Zehntel so groß wie die größeren Chips.
Jede der blinkenden Bakterienkolonien besteht aus dem, was die Forscher ein "Biopixel" nennen, ein individueller Lichtpunkt, ähnlich wie die Pixel auf einem Computermonitor oder Fernsehbildschirm. Die größeren mikrofluidischen Chips enth alten etwa 13.000 Biopixel, während die kleineren Chips etwa 500 Pixel enth alten.
Hasty sagte, er glaube, dass innerhalb von fünf Jahren ein kleiner Handsensor entwickelt werden könnte, der die Schwingungen der Bakterien auf Einweg-Mikrofluidik-Chips ablesen würde, um das Vorhandensein und die Konzentrationen verschiedener toxischer Substanzen und Krankheiten zu bestimmen. Organismen im Feld verursachen.
Weitere Wissenschaftler der UC San Diego, die an der Entdeckung beteiligt waren, waren Tal Danino und Lev Tsimring.
Das UC San Diego Technology Transfer Office hat eine Patentanmeldung für die Erfindung der Hasty-Gruppe eingereicht.
