Новий підхід до моніторингу навколишнього середовища: генетично модифіковані бактерії з дронами
Учені з Массачусетського технологічного інституту (MIT) розробили революційний метод «читання» сигналів генетично модифікованих бактерій з відстані до 90 метрів, використовуючи звичайні дрони та спеціалізовані гіперспектральні камери. Ця інновація може призвести до створення доступних, масштабованих та ефективних біосенсорів, здатних моніторити навколишнє середовище та аграрний сектор.
Традиційно бактерії успішно навчали «чутливості» до різноманітних молекул, таких як поживні речовини та токсини, але проблемою залишалася труднощі у вимірюванні результату. Зазвичай для цього необхідні лабораторні мікроскопи та інше спеціалізоване обладнання. Команда MIT вирішила цю задачу, модифікувавши бактерії таким чином, що вони виробляють специфічні молекули, які випускають унікальні оптичні сигнали.
Гіперспектральна камера, на відміну від звичайної, може фіксувати не лише кольори, а й сотні спектральних довжин хвиль. Це дозволяє виділити «оптичний відбиток» кожної молекули, що робить процес ідентифікації простішим та ефективнішим.
Професор Кристофер Фойгт, голова кафедри біоинженерії MIT, пояснює: «Якщо ви стоїте поруч з клітинкою, її активність може бути невидимою для ока, але з відстані в сотні метрів спеціальні камери можуть зафіксувати її сигнал».
Для реалізації цієї технології вчені розробили генетичні ланцюги, які запускають виробництво сигналізуючих молекул у відповідь на певні субстанції. Наприклад, грунтова бактерія *Pseudomonas putida* здатна виробляти биливердин — пігмент, що виникає в результаті розпаду гемоглобіну, а водна бактерія *Rubrivivax gelatinosus* генерує бактеріохлорофіл, який є природним аналогом хлорофіла.
Для вибору відповідних молекул дослідники проаналізували близько 20 тисяч варіантів за їх спектральними характеристиками та кількістю необхідних ферментів для синтезу. Головним критерієм було досягнення яскравого та унікального «сигнатурного» дисплея без значних модифікацій в бактеріальних клітинах.
Отримані штами були поміщені в контейнери та розміщені на відкритих просторах – в полях, пустелях та на дахах. Дрони, оснащені гіперспектральними камерами, змогли фіксувати сигнали з відстані до 90 метрів, а повне сканування займало лише 20–30 секунд. Алгоритми обробляли зображення, зокрема розпізнавали присутність сигналізуючих молекул.
Ця технологія вже продемонструвала свою ефективність у виявленні хімічних речовин, таких як миш’як, та може бути адаптована для інших застосувань: від моніторингу рівня азоту й поживних речовин у ґрунті до виявлення токсинів та забруднень на рослинах.
«Немає жодних причин, чому жоден датчик не може бути сумісним з цією технологією», — коментує Йонатан Чемла, один з провідних авторів дослідження.
Однак перед широким впровадженням системі необхідно пройти сертифікацію в Агентстві з охорони навколишнього середовища та Міністерстві сільського господарства США. Дослідники вже працюють над оцінкою ризиків, безпеки та можливого впливу на екосистеми спільно з цими організаціями та науковою спільнотою. У подальшому планується розширення технології на інші країни, що відкриває нові горизонти для моніторингу навколишнього середовища та покращення агрономічних практик.
