Микробные биорепортеры следов взрывчатых веществ
Бенджамин Шемер и соавт.,23 октября 2020 г.
Резюме
Бесконтрольное распространение противопехотных наземных мин с конца 19 века привело к тому, что большие территории загрязнены этими взрывоопасными устройствами, что создает значительный риск для безопасности людей во всем мире. Основным препятствием для безопасного и эффективного удаления сухопутных мин является определение их точного местоположения, что в настоящее время требует присутствия персонала на минных полях. На сегодняшний день не существует коммерческих технологий для эффективного автономного обнаружения зарытых мин.
В данной статье мы описываем оптимизацию штамма микробного сенсора, генетически сконструированного для дистанционного обнаружения мин на основе 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ). Этот биорепортер, предназначенный для биолюминесценции в ответ на мизерные концентрации TNT или 2,4-динитотолуола (DNT), был вживлен в гидрогелевые бусины и оптимизирован для рассеивания на минном поле. После модификации гидрогелевой матрицы, в которую были заключены сенсорные бактерии, а также их генетические элементы распознавания, эти чувствительные сенсорные бактерии в лабораторных экспериментах чувствительно обнаруживали захороненный 2,4-динитротолуол. Заключенные в 1,5-миллиметровые 2% полиакриловые бусины, содержащие 1% полиакриловой кислоты, они также определили местоположение реальной металлической противопехотной мины в полевых условиях. Насколько нам известно, это первый случай обнаружения зарытой мины с помощью люминесцентного микробного биорепортера.
Основным фактором, сдерживающим глобальные усилия по разминированию, является не фактическое удаление заглубленных наземных мин, а точное определение их местонахождения. Существующие методики обнаружения наземных мин в основном требуют рискованного присутствия персонала на минном поле, поскольку в настоящее время не существует технологии, позволяющей удаленно обнаруживать закопанные взрывные устройства. Возможная альтернатива была предложена более двух десятилетий назад Бурлажем и др. (1999), которые предложили генетически модифицировать микроорганизмы, чтобы они излучали оптический сигнал в присутствии паров взрывчатых веществ, и распространить их по минному полю. Оптический ответ этих биорепортеров на присутствие наземных мин в почве под ними затем был дистанционно отображен и подвергнут анализу.
С тех пор было описано несколько штаммов микробных датчиков (Looger et al., 2003; Altamirano et al., 2004; Radhika et al., 2007; Garmendia et al., 2008; Davidson et al., 2012; Yagur-Kroll et al., 2014; Shemer et al, 2015, 2017, 2018, 2020), которые излучали дозозависимый сигнал в присутствии основного компонента взрывчатого вещества наземных мин (Jenkins et al., 2001), 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ), и/или его побочного продукта 2,4-динитротолуола (ДНТ). Последнее соединение, благодаря своей относительно высокой летучести, считается полезным "сигнатурным химикатом" для выявления наличия наземных мин на основе тротила.
Yagur-Kroll et al. (2014) сообщили о сенсорном штамме Escherichia coli (кишечная палочка), несущем плазмиду, соединяющую зеленый флуоресцентный белок GFPmut2 с промотором гена yqjF E. coli. Было показано, что этот промотор активируется как TNT, так и DNT (Yagur-Kroll et al., 2014), а также непосредственно индуцируется продуктом их распада 2,4,5-тригидрокситолуолом (Shemer et al., 2018). Промотор yqjF был дополнительно оптимизирован путем направленной эволюции (Yagur-Kroll et al., 2015), и бактерий, несущих усовершенствованную плазмиду, инкапсулированную в Ca-альгинатные бусины, которые успешно обнаруживали настоящие противопехотные мины, над которыми они были разбросаны (Belkin et al., 2017).
Возбуждение и визуализация флуоресцентного сигнала осуществлялись путем контролируемого компьютером обследования целевой области с помощью специальной оптической системы. Одним из уроков, извлеченных из этого эксперимента, стала сложность поддержания жизнеспособности иммобилизованных альгинатом бактерий в течение относительно длительного времени (22 ч в данном конкретном случае), необходимого для получения значительного флуоресцентного сигнала.
Всю статью на английском языке можно прочитать по здесь.
Перевод: Miriam Argaman
Опубликовано в блоге "Трансляриум"
Комментариев нет:
Отправить комментарий