Bactérias podem ser projetadas para detectar uma variedade de moléculas, como poluentes ou nutrientes do solo. Na maioria dos casos, porém, esses sinais só podem ser detectados observando as células ao microscópio, o que as torna impraticáveis para uso em larga escala.

Usando um novo método que estimula as células a produzir moléculas que geram combinações únicas de cores, engenheiros do MIT demonstraram ser capazes de ler esses sinais bacterianos a até 90 metros de distância. Seu trabalho pode levar ao desenvolvimento de sensores bacterianos para aplicações agrícolas e outras, que podem ser monitorados por drones ou satélites.

"É uma nova maneira de extrair informações da célula. Se você estiver próximo a ela, não conseguirá ver nada a olho nu, mas a centenas de metros de distância, usando câmeras específicas, você pode obter as informações quando ela for ligada", diz Christopher Voigt, chefe do Departamento de Engenharia Biológica do MIT e autor sênior do novo estudo.

Em um artigo publicado hoje na Nature Biotechnology , os pesquisadores demonstraram que poderiam manipular dois tipos diferentes de bactérias para produzir moléculas que emitem comprimentos de onda de luz distintos nos espectros visível e infravermelho, que podem ser visualizados com câmeras hiperespectrais. Essas moléculas foram conectadas a circuitos genéticos que detectam bactérias próximas, mas essa abordagem também poderia ser combinada com qualquer sensor existente, como os de arsênio ou outros contaminantes, afirmam os pesquisadores.

“O interessante dessa tecnologia é que você pode conectar e usar qualquer sensor que quiser”, diz Yonatan Chemla, pós-doutorando do MIT e um dos principais autores do artigo. “Não há razão para que qualquer sensor não seja compatível com essa tecnologia.”

Itai Levin, PhD '24, também é um dos autores principais do artigo. Outros autores incluem as ex-alunas de graduação Yueyang Fan '23 e Anna Johnson '22, e Connor Coley, professor associado de engenharia química no MIT.

Existem muitas maneiras de projetar células bacterianas para que elas possam detectar uma substância química específica. A maioria delas funciona conectando a detecção de uma molécula a uma saída, como a proteína fluorescente verde (GFP). Esses sensores funcionam bem para estudos de laboratório, mas não podem ser medidos a longas distâncias.

Para sensoriamento de longa distância, a equipe do MIT teve a ideia de projetar células para produzir moléculas repórter hiperespectrais, que podem ser detectadas por câmeras hiperespectrais. Essas câmeras, inventadas na década de 1970, conseguem determinar a quantidade de cada comprimento de onda de cor presente em um pixel. Em vez de aparecer apenas como vermelho ou verde, cada pixel contém informações sobre centenas de comprimentos de onda de luz diferentes.

Atualmente, câmeras hiperespectrais são utilizadas para aplicações como a detecção da presença de radiação. Nas áreas ao redor de Chernobyl, essas câmeras têm sido usadas para medir leves alterações de cor que metais radioativos produzem na clorofila das células vegetais. Câmeras hiperespectrais também são usadas para procurar sinais de desnutrição ou invasão de patógenos em plantas.

Esse trabalho inspirou a equipe do MIT a explorar se seria possível projetar células bacterianas para produzir repórteres hiperespectrais quando detectassem uma molécula alvo.

Para que um repórter hiperespectral seja mais útil, ele deve ter uma assinatura espectral com picos em múltiplos comprimentos de onda de luz, facilitando sua detecção. Os pesquisadores realizaram cálculos quânticos para prever as assinaturas hiperespectrais de cerca de 20.000 moléculas celulares naturais, permitindo-lhes identificar aquelas com os padrões mais singulares de emissão de luz. Outra característica fundamental é o número de enzimas que precisariam ser introduzidas em uma célula para que ela produzisse o repórter — uma característica que varia para diferentes tipos de células.

Neste estudo, os pesquisadores identificaram duas moléculas diferentes que eram mais adequadas para dois tipos de bactérias. Para uma bactéria do solo chamada Pseudomonas putida , eles usaram um repórter chamado biliverdina — um pigmento resultante da degradação do heme. Para uma bactéria aquática chamada Rubrivivax gelatinosus , eles usaram um tipo de bacterioclorofila. Para cada bactéria, os pesquisadores projetaram as enzimas necessárias para produzir o repórter na célula hospedeira e, em seguida, as conectaram a circuitos sensores geneticamente modificados.

“Você poderia adicionar um desses repórteres a uma bactéria ou a qualquer célula que tenha um sensor geneticamente codificado em seu genoma. Assim, ele poderia responder a metais, radiação, toxinas no solo, nutrientes no solo ou qualquer outra coisa à qual você queira que ele responda. O resultado disso seria a produção dessa molécula, que pode ser detectada de longe”, diz Voigt.

Neste estudo, os pesquisadores conectaram os repórteres hiperespectrais a circuitos projetados para detecção de quorum, que permitem que as células detectem outras bactérias próximas. Eles também demonstraram, em trabalhos posteriores a este artigo, que essas moléculas repórteres podem ser conectadas a sensores para substâncias químicas, incluindo arsênio.

Ao testar seus sensores, os pesquisadores os implantaram em caixas para que permanecessem contidos. As caixas foram colocadas em campos, desertos ou telhados de edifícios, e as células produziram sinais que puderam ser detectados por câmeras hiperespectrais montadas em drones. As câmeras levam cerca de 20 a 30 segundos para escanear o campo de visão, e algoritmos de computador então analisam os sinais para revelar se os repórteres hiperespectrais estão presentes.

Neste artigo, os pesquisadores relataram imagens de uma distância máxima de 90 metros, mas agora estão trabalhando para estender essas distâncias.

Eles vislumbram que esses sensores poderiam ser utilizados para fins agrícolas, como a detecção de níveis de nitrogênio ou nutrientes no solo. Para essas aplicações, os sensores também poderiam ser projetados para funcionar em células vegetais. A detecção de minas terrestres é outra aplicação potencial para esse tipo de sensor.

Antes de serem implantados, os sensores precisariam passar pela aprovação regulatória da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), bem como do Departamento de Agricultura dos EUA, se utilizados na agricultura. Voigt e Chemla têm trabalhado com ambas as agências, a comunidade científica e outras partes interessadas para determinar que tipo de perguntas precisam ser respondidas antes que essas tecnologias possam ser aprovadas.

“Nos últimos três anos, estivemos muito ocupados trabalhando para entender quais são os cenários regulatórios e quais são as preocupações com a segurança, quais são os riscos e quais são os benefícios desse tipo de tecnologia?”, diz Chemla.

A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Defesa dos EUA; pelo Escritório de Pesquisa do Exército, uma diretoria do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA (o financiamento apoiou a engenharia de tensões ambientais e a otimização de sensores geneticamente codificados e vias biossintéticas de repórteres hiperespectrais); e pelo Ministério da Defesa de Israel.