Бактериальные сенсоры в реальном времени обнаруживают мышьяк и кадмий в воде

Схематическое изображение многоканальных биоэлектронных сенсорных систем. <b>a</b> Схема многоканальной биоэлектронной системы, использующей пути CymA и Flavin для обнаружения двух аналитов, обработки сигналов и генерации бинарных выходных данных. <b>b</b> Окислительно-восстановительные потенциалы каналов CymA и Flavin, составляющие 0,077 В и –0,220 В относительно Ag/AgCl соответственно. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62256-1

Исследователи из Университета Райса разработали генетически модифицированные бактерии E. coli, способные действовать как живые мультиплексные сенсоры. Эти бактерии обнаруживают и реагируют на несколько токсинов в окружающей среде одновременно, преобразуя биологические реакции в электрические сигналы. Инновация открывает возможности для мониторинга водных систем, трубопроводов и промышленных объектов в реальном времени с перспективой применения в биокомпьютинге.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует метод обнаружения мышьяка и кадмия на уровнях, установленных Агентством по охране окружающей среды США (EPA).

Работа под руководством Сюй Чжана, Маримикеля Шаррье и Каролины Ахо-Франклин решает проблему неэффективности современных биоэлектронных сенсоров, которым обычно требуются отдельные каналы связи для каждого целевого соединения. Стратегия мультиплексирования значительно повышает пропускную способность информации, используя естественную чувствительность и адаптивность бактерий в автономной платформе.

«Эта система представляет собой значительный скачок в биоэлектронном зондировании, кодируя несколько сигналов в единый поток данных и декодируя их в четкие ответы "да" или "нет"», — сказала Ахо-Франклин, профессор биологических наук и ведущий автор исследования.

Бактерии, говорящие на языке напряжений

Традиционные биоэлектронные сенсоры используют модифицированные бактерии для генерации электрических сигналов, но каждый аналит требует собственного штамма. Исследователи вдохновлялись волоконно-оптической связью, где разные длины волн передают отдельные потоки данных по одному кабелю. Они предположили, что электрические сигналы с разными окислительно-восстановительными потенциалами могут аналогично мультиплексировать информацию в одном сенсоре.

«Нам нужно было понять, как надежно разделять сигналы разной энергии независимо от образца или токсина», — пояснил Чжан, соавтор исследования.

Команда разработала электрохимический метод, изолирующий эти сигнатуры и преобразующий их в бинарные ответы. Их работа объединила синтетическую биологию с электрохимическим анализом, запрограммировав штаммы E. coli на взаимодействие с мышьяком или кадмием, что привело к различным электрическим реакциям.

Обнаружение двойной угрозы

Сенсоры успешно выявили мышьяк и кадмий на пороговых уровнях EPA. Это особенно важно, учитывая потенциальную синергетическую токсичность при одновременном присутствии обоих металлов.

«Эта система позволяет нам эффективнее и точнее обнаруживать комбинированные угрозы, — отметил Шаррье. — Более того, платформа модульна и может масштабироваться для одновременного скрининга большего числа токсинов».

Интеграция беспроводных технологий расширяет возможности системы за пределы мониторинга тяжелых металлов. Например, сенсоры могут обеспечить удаленный контроль водных систем и промышленных объектов в реальном времени.

Исследование закладывает основу для передовых био-цифровых интерфейсов. Ученые видят будущее, где беспроводные бактериальные сенсоры станут незаменимыми инструментами для экологического мониторинга, диагностики и даже биокомпьютинга.

«Ключевое преимущество нашего подхода — адаптивность. Мы уверены, что вскоре клетки смогут кодировать, обрабатывать и передавать сложную экологическую или биомедицинскую информацию», — подчеркнула Ахо-Франклин.

Дополнительная информация: Сюй Чжан и др., Multichannel bioelectronic sensing using engineered Escherichia coli, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62256-1