В начале были изготовлены сенсоры, которые применяют микробы для контроля различных веществ в земле, однако их надежность вне лаборатории оставляет желать лучшего, и их использование ограничено. Это в большей степени обусловлено невидимостью.
Традиционно, эти измененные микробы создают светящиеся сигналы, обнаружить которые можно только с помощью специализированного оборудования вблизи. Массачусетский технологический институт разработал новаторский метод, который теперь дает возможность отслеживать сигналы микробов на расстоянии около 295 футов (90 метров).
Новый метод обнаружения информации с использованием камеры предполагает применение генетически модифицированных бактерий, которые способны создавать уникальные оптические сигналы при контакте с определенными молекулами. Эти сигналы могут быть зафиксированы гиперспектральными камерами, что открывает перспективы для дальнейшего мониторинга бактериальных биосенсоров с использованием дронов или спутников.
Как утверждает Кристофер Фойгт, главный исследователь, представленный метод представляет собой инновационный подход к получению информации через камеру. При этом, наблюдая за ней вблизи, вы не увидите ничего особенного, однако с помощью специализированных камер можно получить информацию на расстоянии сотен метров, когда она активируется.
Ведущий автор статьи, Йонатан Чемла, утверждает, что преимущество данной технологии заключается в возможности подключения любого необходимого датчика.
Интересный подход к решению заключается в модификации двух видов бактерий, чтобы они излучали свет как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Гиперспектральные репортеры, светоизлучающие молекулы, были генетически связаны с сенсорными цепями внутри клеток. Это позволяет использовать красочные метки и проводить удаленное обнаружение.
Фойгт отмечает, что идеальной молекулой является такая, которая выделяется из множества других и требует минимального количества ферментов для ее синтеза в клетке. Исследователи, используя квантовые расчеты, проанализировали около 20 000 природных соединений в клетках и выявили соединения с наиболее уникальными свойствами. В первую очередь они выделили биливердин — пигмент, образующийся при разложении гема, который служит индикатором для почвенной бактерии Pseudomonas putida, а также бактериохлорофилл — пигмент, необходимый для фотосинтеза и содержащийся в бактерии Rubrivivax gelatinosus, обитающей в воде.
Бактерии, модифицированные для распознавания различных веществ, могут быть использованы на практике в различных условиях. Они способны реагировать на металлы, радиацию, токсины или питательные вещества в почве. Эти генетически изменённые микроорганизмы могут быть размещены в специальных контейнерах и развёрнуты на различных участках, начиная от крыш зданий и заканчивая пустынными районами. Таким образом, они могут проявить свою способность вырабатывать определённые молекулы, обнаруживаемые на больших расстояниях. Согласно словам исследователя Фойгта, это открывает новые перспективы для использования биотехнологий в реальных условиях, выходя за пределы лаборатории.
Летающие над ними дроны, оборудованные гиперспектральными камерами, сканировали каждое поле менее чем за полминуты, после чего спектральные данные анализировались алгоритмами для выявления активированных молекул-индикаторов бактерий.
Система, испытанная в реальных условиях с различными датчиками, включая те, что обнаруживают определенные элементы, такие как мышьяк, представляет собой гибкую структуру. В ходе предварительных исследований передаваемый сигнал определял первичное спектральное разрешение в зависимости от изменения концентрации в популяции, что является биологическим феноменом, помогающим бактериям определить свое место в пространстве.
В различных отраслях применения имеет эта технология. Она может использоваться для точного земледелия, контроля уровня азота и других питательных веществ в почве, а также для обеспечения экологической безопасности через обнаружение минералов. Даже возможно модифицировать бактерии для функционирования внутри растительных клеток, что создает живые системы, способные обмениваться световыми сигналами, видимыми из космоса.