محققان دانشگاه رایس، باکتری E. coli را طوری مهندسی کرده‌اند که به عنوان حسگرهای زنده چندگانه عمل کند و به این سلول‌های اصلاح‌شده ژنتیکی اجازه می‌دهد تا با تبدیل پاسخ‌های بیولوژیکی خود به سیگنال‌های الکتریکی قابل خواندن، سموم محیطی متعدد را به طور همزمان شناسایی و به آنها پاسخ دهند. این نوآوری، دریچه‌ای به سوی نظارت از راه دور و بلادرنگ بر سیستم‌های آب، خطوط لوله و سایت‌های صنعتی با کاربردهای بالقوه آینده در محاسبات زیستی است.
یک مطالعه جدید در تاریخ ۲۹ جولای، روشی نوآورانه برای تشخیص آرسنیت و کادمیوم در محل و به صورت بلادرنگ در سطوح تعیین شده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست است. این تحقیق به ناکارآمدی قابل توجه حسگرهای بیوالکترونیکی فعلی می‌پردازد که معمولاً برای هر ترکیب هدف به کانال‌های ارتباطی اختصاصی نیاز دارند. استراتژی چندگانه‌سازی تیم تحقیقاتی با بهره‌گیری از حساسیت و سازگاری ذاتی باکتری‌ها در یک پلتفرم، توان عملیاتی اطلاعات را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. این سیستم جهشی بزرگ در حسگرهای بیوالکترونیکی است که چندین سیگنال را در یک جریان داده واحد رمزگذاری می‌کند و سپس آن داده‌ها را به چندین خوانش واضح تبدیل می‌کند.
مهندسی باکتری‌ها
حسگرهای بیوالکترونیکی مرسوم از باکتری‌های مهندسی‌شده برای تولید سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کنند. با این حال، هر آنالیت معمولاً به باکتری‌های مهندسی‌شده اختصاصی خود نیاز دارد. محققان از ارتباط فیبر نوری الهام گرفتند، جایی که طول موج‌های مختلف نور، جریان‌های داده متمایزی را از طریق یک کابل واحد حمل می‌کنند. آنها استدلال کردند که سیگنال‌های الکتریکی در انرژی‌های مختلف می‌توانند به طور مشابه اطلاعات را از یک حسگر واحد دریافت کنند.
به گفته محققان، باید تعیین می‌شد که چگونه سیگنال‌های انرژی‌های مختلف صرف نظر از نمونه یا سم، به طور قوی از هم جدا شود. تیم تحقیقاتی یک روش الکتروشیمیایی ابداع کرد که این امضاهای انرژی را جدا کرده و آنها را به پاسخ‌های دودویی تبدیل می‌کند که نشان‌دهنده وجود یا عدم وجود هر سم است. کار آنها زیست‌شناسی مصنوعی را با تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی ترکیب کرد و سویه‌های E. coli مهندسی‌شده را برای تعامل خاص با آرسنیت یا کادمیوم برنامه‌ریزی کرد که منجر به پاسخ‌های الکتریکی متمایز شود. این سیستم می‌تواند به طور همزمان با استفاده از یک مجموعه الکترود یکپارچه، با استفاده از یک حسگر که این امضاهای انرژی را متمایز می‌کند، در مورد دو سم گزارش دهد.
تشخیص تهدیدات دوگانه
حسگرهای چندگانه با موفقیت آرسنیت و کادمیوم را در آستانه‌های استاندارد در آزمایش‌های محیطی شناسایی کردند. این قابلیت بسیار مهم است، به خصوص با توجه به پتانسیل سمیت هم‌افزایی در صورت وجود هر دو فلز، سناریویی که خطر بیشتری نسبت به هر یک از آلاینده‌ها به تنهایی ایجاد می‌کند.
این سیستم امکان می‌دهد خطرات ترکیبی با کارایی و دقت بیشتری تشخیص داده شود. علاوه بر این، از آنجا که این پلتفرم مدولار است، می‌توان آن را برای غربالگری همزمان سموم بیشتر یا متفاوت، مقیاس‌بندی کرد. چارچوب بیوالکترونیکی زیربنایی همچنین به کاربردهای آینده در محاسبات زیستی اشاره دارد، جایی که سلول‌های مهندسی شده نه تنها می‌توانند داده‌های محیطی را حس و ذخیره کنند، بلکه می‌توانند آنها را از طریق رابط‌های الکترونیکی پردازش و منتقل کنند.
