Микробы являются изысканными миниатюрными сенсорами, способными ощущать, интегрировать и динамически реагировать на широкий спектр условий окружающей среды.
Быстрое развитие инструментов синтетической биологии обещает сделать некоторые классически трудноразрешимые экологические проблемы легкодоступными. В данном обзоре мы рассматриваем давние проблемы в науках о Земле и окружающей среде, которые могут быть решены с помощью сконструированных микроорганизмов в качестве датчиков микронного масштаба (биосенсоров).Биосенсоры могут предложить новый взгляд на открытые вопросы, включая понимание поведения микробов в гетерогенных матрицах, таких как почвы, осадки и системы сточных вод, отслеживание круговорота криптических элементов в системе Земли и установление динамики взаимодействия микроб-микроб, микроб-растение и микроб-материал.
Биосенсоры - это генетически модифицированные микробы или отдельные биологические компоненты, которые чувствуют и сообщают о конкретных условиях окружающей среды, представляющих интерес. Биосенсоры являются альтернативой традиционным аналитическим инструментам для обнаружения и измерения сигналов окружающей среды, поскольку они могут преобразовывать сложные и/или дорогие для обнаружения сигналы в легко обнаруживаемые результаты. Они также могут сообщать о микробном "опыте" на микронном уровне в сложных экологических матрицах (Gage et al., 2008; Pini et al., 2017), предоставляя информацию, недоступную при использовании обычных аналитических подходов.
Биосенсоры хорошо сочетаются с более целостными подходами -омики (рис. 1), которые дают представление на системном уровне об организмах, биомакромолекулах и метаболитах в образце. Эта информация -омики может быть использована для реконструкции потенциала отобранной среды для осуществления экологического процесса, например, путем обнаружения присутствия генов, которые лежат в основе производства парниковых газов. Хотя инструменты -омики отлично подходят для создания экологических гипотез, они не всегда хорошо подходят для проверки отдельных причинно-следственных гипотез, таких как динамическая роль, которую играют конкретные организмы и биомолекулы в производстве парниковых газов. Напротив, биосенсоры предлагают редукционистский подход для проверки влияния отдельных клеток и биомолекул на экологические последствия. Биосенсоры могут давать дополнительную пространственную и временную информацию о деятельности конкретных членов микробного сообщества, о моделях окружающей среды, которые вызывают поведение клеток, и о влиянии местной среды на биодоступность биомолекул.
Рисунок 1. Синтетическая и системная биология предоставляют взаимодополняющую информацию. Различные методы -омики могут получать нисходящие данные системной биологии об ансамбле организмов и биомолекул, присутствующих в образце окружающей среды. Напротив, биосенсоры, созданные с помощью синтетической биологии, предоставляют информацию высокого разрешения о реакциях, опосредованных отдельными членами сообщества, таких как их метаболическая активность, воспринимаемые концентрации молекул, зависящее от времени производство или потребление конкретных биомолекул и химический процессинг окружающей среды.
Биосенсоры применяются в экологических исследованиях, но сфера предыдущих применений была в основном сосредоточена на обнаружении загрязняющих веществ, часто с целью информирования о биоремедиации (Dangi et al., 2018). Эти биосенсоры в основном используют системы с одним входом и одним выходом, которые преобразуют обнаружение одного химического вещества в легко обнаруживаемый выход. Здесь мы описываем, как появляющиеся инструменты синтетической биологии могут улучшить характеристики традиционных биосенсоров и расширить их применение для изучения сложных вопросов в науках о Земле и окружающей среде, включая роль, которую играет связь клетка-клетка в координации поведения клеток в родной среде, влияние физической и химической гетерогенности на поведение и рост микроорганизмов, а также улавливание мимолетных реакций, таких как загадочный круговорот питательных веществ, который лежит в основе микробного синтропизма.
Синтетическая биология разрабатывает методы программирования предсказуемых клеточных функций и включает в себя значительный объем работ, направленных на расширение возможностей биосенсоров. Биосенсоры являются модульными (рис. 2А) и состоят из:
- сенсорного модуля, который определяет одно или несколько условий окружающей среды в качестве входных сигналов,
- модуля обработки, который выполняет вычисления с использованием входных сигналов, и
- выходного модуля, который производит обнаруживаемый и количественно измеряемый сигнал.
Биосенсоры изображаются с помощью схем ДНК (рис. 2B), которые включают информацию о генах в каждом модуле, о том, как регулируется экспрессия этих генов и как взаимодействуют компоненты модуля. Зависимость между выходным и входным сигналами биосенсора обычно имеет сигмоидальную форму. Динамический диапазон датчика - это разница между пороговым уровнем входного сигнала окружающей среды, необходимым для активации, определяемым как предел обнаружения, и максимальным уровнем входного сигнала до насыщения.
Рисунок 2. Модули биосенсора и их характеристики. (A) Сенсорный модуль (оранжевый) преобразует информацию об окружающей среде в биохимическую информацию, модуль обработки (серый) выполняет вычисления, используя биохимическую информацию, а модуль вывода (синий) преобразует обработанную информацию в обнаруженный сигнал. (B) Простой биосенсор с одним входом и одним выходом, проиллюстрированный с помощью языка синтетической биологии.
Недавний всплеск появления новых синтетических биологических модулей значительно расширил диапазон входных сигналов, которые могут быть обнаружены, сложность и возможности модулей обработки, а также разнообразие условий, в которых могут быть обнаружены выходные сигналы. В свою очередь, мы теперь можем создавать биосенсоры для изучения многих фундаментальных вопросов в области биогеохимии, экологии экосистем, геобиологии и экологической инженерии. Хотя несколько первых инструментов были использованы при исследовании образцов окружающей среды, эти инструменты не были широко доступны сообществу специалистов в области наук о Земле и окружающей среде.
Цель данного обзора - обсудить прямые последствия последних достижений в области синтетической биологии для создания биосенсоров, актуальных для трудноизучаемых экологических проблем. Целевой аудиторией данного обзора являются: (1) ученые-экологи и инженеры, которым будет полезно получить больше информации о широте современных возможностей биосенсоров, и (2) синтетические биологи, которые разрабатывают биосенсоры и получат пользу от понимания экологических потребностей. Мы обсудим проблемы в изучении систем Земли и окружающей среды, которые биосенсоры имеют уникальную возможность преодолеть.
Мы также подчеркиваем, как синтетическая биология может быть использована для создания индивидуальных биосенсоров для использования в сложных системах для решения этих сложных вопросов. Мы описываем состояние синтетической биологии и бурный рост биологических программ, позволяющих создавать живые и бесклеточные биосенсоры. Мы рассказываем о необходимых разработках в области синтетической биологии для развития приложений в науках о Земле и окружающей среде. Наконец, мы рассматриваем этические вопросы, связанные с использованием синтетической биологии для изучения окружающей среды.
