Sensor rice: Sensor Rice универсальное напольное покрытие

Раскрыты удивительные возможности датчика патогенов

| Рис Новости | Новости и связи со СМИ

ХЬЮСТОН – (12 декабря 2022 г.) – Синтетические биологи из Университета Райса разработали новый способ изучения сенсорной системы, которую сальмонелла, кишечная палочка и другие патогены используют для ежегодного заражения миллионов людей.

Кэтрин Бринк — выпускница докторской степени Университета Райса в 2021 году. программа по системам, синтетической и физической биологии. (Фото Джеффа Фитлоу/Университет Райса)

У патогенных бактерий сенсор PhoPQ включает группу генов, необходимых для заражения. Исследователи Райса перепрограммировали PhoPQ на репортерный ген, который производил флуоресцентный белок каждый раз, когда ген стимулировался. Затем исследователи подвергали свои модифицированные микробы воздействию тысяч небольших белков, называемых пептидами, и микробы испускали характерное флуоресцентное свечение каждый раз, когда пептид запускал датчик PhoPQ.

В статье, опубликованной в Nature Chemical Biology, Джефф Табор из Rice, ведущий соавтор Кэтрин Бринк ’21 и их коллеги описывают свою технику и показывают, как ее можно комбинировать с методом, называемым пептидным дисплеем, для быстрого сканирования больших библиотек пептидов и идентификации те, которые активируют бактериальные сенсоры.

«Это первый высокопроизводительный метод изучения взаимодействия пептид-рецептор у бактерий», — сказал Табор.

Пептиды представляют собой важный класс активаторов сенсорных рецепторов бактерий. Бактерии могут транслировать пептиды, подобные химическим твитам, чтобы предупреждать об опасности или организовывать коллективные действия. Патогенные бактерии также научились обнаруживать опасные пептиды, в том числе антимикробные пептиды человека (AMP).

Аспирант Университета Райса Максвелл Хант держит тарелку со светящейся кишечной палочкой. Синтетические биологи риса добавили к бактериям флуоресцентные репортерные гены и подключили гены к датчику, который патогенные бактерии используют для заражения людей. Модификация позволила исследователям быстро просмотреть большие библиотеки пептидов и определить, какие из них активируют датчик. (Фото Густаво Раскоски/Университет Райса)

«АМП — это небольшие белки, которые наш организм вырабатывает для борьбы с инфекциями, убивая бактерии», — сказал Табор. «Они производятся иммунной системой и многими тканями. Они также могут выполнять «двойную функцию», выступая в качестве сигналов, которые активируют или подавляют иммунную активность, например воспаление, убивающее бактерии».

Brink, Tabor, Rice Аспирант Максвелл Хант и их коллеги использовали плазмиды для создания E. coli для отображения AMP на их внешней поверхности.

«Преимущества этого метода заключаются в том, что мы можем легко «лечить» E. coli тысячами различных пептидов, создавая тысячи плазмид», — сказал Табор. «Это дешево и просто по сравнению с химическим синтезом пептидов».

Предыдущие исследования показали, что PhoPQ обнаруживает один человеческий AMP, а также несколько человеческих сигнальных пептидов, которые играют роль в воспалении.

«Крупномасштабный химический синтез пептидов непомерно дорог, поэтому предыдущий рекорд по количеству пептидов, исследованных на способность активировать PhoPQ, составлял девять», — сказал Табор. «Генетически кодируя пептиды, мы смогли провести скрининг более 3000 за один эксперимент».

Он сказал, что в ходе эксперимента было получено «горное количество данных, в которых была скрыта информация об общих свойствах пептидов PhoPQ».

Синтетические биологи Университета Райса создали систему, в которой пептид (желтый) на внешней поверхности бактерий (вверху) связывается с сенсором (фиолетовый/розовый), чтобы активировать экспрессию флуоресцентного белка (зеленый) внутри бактерий (внизу). (Изображение Максвелла Ханта/Университета Райса)

Бринк и Табор использовали машинное обучение, форму искусственного интеллекта, для анализа данных, поиска скрытых закономерностей и открытия «новых правил» для свойств пептидов, необходимых для активации PhoPQ», — сказал он.

«Человеческое тело вырабатывает около 140 ампер», — сказал Табор. «Из них только двое когда-либо проверялись на способность активировать PhoPQ. Мы протестировали большинство из них и обнаружили 13 новых АМП человека, которые активируют этот бактериальный сенсор. Они производятся в различных тканях организма, включая тонкий кишечник, мочевыводящие пути и иммунные клетки. Это говорит о том, что эти бактерии защищаются от гораздо большего количества атак нашей иммунной системы и, возможно, в большем количестве мест в нашем теле, чем считалось ранее».

PhoPQ представляет собой высококонсервативный генетический путь у бактериальных патогенов. Чтобы расширить свои выводы и изучить, как восприятие PhoPQ развивалось у других видов, Brink и Tabor также охарактеризовали реакцию PhoPQ как от патогенных, так и от непатогенных штаммов E. coli и другого патогена, называемого Klebsiella pneumoniae.

Jeffrey Tabor (Фото любезно предоставлено Jeffrey Tabor)

«Мы обнаружили поразительные доказательства того, что PhoPQ в патогенных E. coli и K. pneumoniae более сильно реагирует на AMP, которые обогащены в тканях, которые они заражают», — сказал Табор. Например, PhoPQ из патогенной E. coli сильнее реагировал на AMP в мочевом пузыре, где этот микроорганизм часто вызывает инфекции.

«Этот результат предполагает, что может иметь место гонка вооружений, когда люди вырабатывают новые AMP, чтобы по-новому атаковать бактерии, а бактерии эволюционируют, чтобы специально защищаться от этих AMP», — сказал Табор.

Он сказал, что новый метод отображения пептидов совместим не со всеми пептидами.

«Некоторые из них имеют продвинутые химические модификации, которые невозможно произвести с помощью нашей системы», — сказал Табор. «Но наш метод совместим со многими пептидами, в том числе с дисульфидными связями, присутствующими в некоторых АМП. Мы считаем, что наш метод может быть использован для обнаружения пептидов, которые активируют другие бактериальные рецепторы, участвующие в вирулентности, межбактериальной войне, образовании биопленок, инфекции и других процессах у многих видов бактерий».

Табор — профессор биоинженерии и биологических наук. Бринк является постдокторантом Медицинской школы Стэнфордского университета и выпускником систем Райс, синтетической и физической биологии. программа.

Дополнительные соавторы исследования включают Максвелла Ханта, Эндрю Му, Кевина Лорча и Бретта Погостина, все Райс, Кена Гросмана из Массачусетского технологического института, а также Кая Хоанга и Джона Ганна из Университета штата Огайо.

Исследование выполнено при поддержке Welch Foundation (C-1856), National Science Foundation (1553317, 1842494), Национальных институтов здравоохранения (R01AI155586-01A1), Университета Райса и Национальной детской больницы.

Рецензируемая статья

«Метод дисплея E. coli для характеристики взаимодействий пептид-сенсорная киназа» | Природа Химическая Биология | DOI: 10.1038/s41589-022-01207-z

Кэтрин Р. Бринк, Максвелл Дж. Хант, Эндрю М. Му, Кен Гросман, Кай В. Хоанг, Кевин П. Лорч, Бретт Х. Погостин, Джон С. Ганн и Джеффри Дж. Табор

https://www.nature.com/articles/s41589-022-01207-з

загрузок изображений

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/12/1208_BRINK-mh22ras-lg.jpg
ЗАГОЛОВОК: аспирант Университета Райса Максвелл Хант держит тарелку со светящейся кишечной палочкой. Синтетические биологи риса добавили к бактериям флуоресцентные репортерные гены и подключили гены к датчику, который патогенные бактерии используют для заражения людей. Модификация позволила исследователям быстро просмотреть большие библиотеки пептидов и определить, какие из них активируют датчик. (Фото Густаво Раскоски/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/12/1208-BRINK-kb89fit-lg.jpg
ЗАГОЛОВОК: Кэтрин Бринк — выпускница докторской степени Университета Райса в 2021 году. программа по системам, синтетической и физической биологии. (Фото Джеффа Фитлоу/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/12/1208-BRINK-fig-lg.jpg
ЗАГОЛОВОК: Синтетические биологи Университета Райса создали систему, в которой пептид (желтый) находится на внешней поверхности бактерий (вверху) связывается с сенсором (фиолетовый/розовый), чтобы активировать экспрессию флуоресцентного белка (зеленый) внутри бактерий (внизу). (Изображение Максвелла Ханта/Университета Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/12/1208-BRINK-jt22-lg.jpg
ЗАГОЛОВОК: Джеффри Табор (Фото предоставлено Джеффри Табором)

Истории по теме

Светящиеся метки выявляют активность патогенных цепей за доли секунды — 25 августа 2022 г.

Биоинженеры риса проливают свет на бактериальный стресс — 23 мая 2022 г.
https://news.rice.edu/news/2022/rice-bioengineers-are-shining-light-bacterial-stress

Сконструированный организм может диагностировать обострения болезни Крона — 17 мая 2021 г.
https://news.rice.edu/news/2021/engineered-organism-could-diagnose-crohns-disease-flareups

Синтетические биологи взламывают бактериальные сенсоры — 20 мая 2019 г.
https://news2.rice.edu/2019/05/20/synthetic-biologist-hack-bacterial-sensors-2/

Райс У. представляет двухканальный генератор биологических функций — 8 мая 2017 г.
https://news2.rice.edu/2017/05/08/rice-u-unveils-dual-channel-biological-function-generator/

О рисе

Университет Райс, расположенный в кампусе площадью 300 акров в Хьюстоне, постоянно входит в число 20 лучших университетов страны по версии US News & World Report. Райс имеет очень уважаемые школы архитектуры, бизнеса, непрерывного обучения, инженерии, гуманитарных наук, музыки, естественных и социальных наук, а также является домом для Института государственной политики Бейкера. С 4240 магистрантами и 3,972 аспиранта, соотношение студентов и преподавателей бакалавриата Райс составляет чуть менее 6 к 1. Его система колледжей-интернатов создает сплоченные сообщества и дружбу на всю жизнь, что является лишь одной из причин, по которой Райс занимает первое место по количеству взаимодействий между расами и классами и первое место по качеству жизни по версии Princeton Review. Райс также оценивается как лучший среди частных университетов по версии Kiplinger’s Personal Finance.

Бактериальные датчики посылают разряд электричества при срабатывании | Рис Новости | Новости и связи со СМИ

Когда вы ударяете молотком по пальцу, вы сразу чувствуете боль. И вы сразу реагируете.

А если боль появится через 20 минут после удара? К тому времени травму будет труднее залечить.

Ученые и инженеры Университета Райса говорят, что то же самое относится и к окружающей среде. Если утечка химикатов в реку остается незамеченной в течение 20 минут, может быть слишком поздно устранять последствия.

Их живые биоэлектронные датчики могут помочь. Группа под руководством биологов-синтетиков Райса Кэролайн Аджо-Франклин и Джонатана (Джоффа) Силберга, а также ведущих авторов Джоша Аткинсона и Лин Су, выпускников Райса, разработала бактерии, которые быстро обнаруживают и сообщают о наличии различных загрязняющих веществ.

Исследование, проведенное в журнале Nature, показало, что клетки можно запрограммировать на идентификацию химических захватчиков и сообщение об этом в течение нескольких минут с помощью детектируемого электрического тока.

Пакообразная биоэлектроника, разработанная в Rice, содержит программируемые бактерии и прикреплена к электроду, который подает сигнал при обнаружении целевого загрязнения, что позволяет проводить измерения в реальном времени. Фото Брэндона Мартина

По словам исследователей, такие «умные» устройства могут питать себя за счет поглощения энергии в окружающей среде, поскольку они контролируют условия в таких местах, как реки, фермы, промышленность и очистные сооружения, а также для обеспечения водной безопасности.

Информация об окружающей среде, передаваемая этими самовоспроизводящимися бактериями, может быть изменена путем замены одного белка в восьмикомпонентной синтетической цепи переноса электронов, которая дает сигнал сенсора.

«Я думаю, что это самый сложный белковый путь для передачи сигналов в реальном времени, который был создан на сегодняшний день», — сказал Силберг, директор Rice’s Systems, доктор философии в области синтетической и физической биологии. Программа. «Проще говоря, представьте провод, который направляет электроны от клеточного химического вещества к электроду, но мы разорвали провод посередине. Когда молекула-мишень попадает в цель, она снова соединяется и электризует весь путь».

— Это буквально миниатюрный электрический выключатель, — сказал Аджо-Франклин.

«Вы опускаете зонды в воду и измеряете течение», — сказала она. «Это так просто. Наши устройства отличаются тем, что микробы инкапсулированы. Мы не выпускаем их в окружающую среду».

Проверкой концепции исследователей была бактерия Escherichia coli, а их первой целью был тиосульфат, дихлорирующий агент, используемый при очистке воды, который может вызывать цветение водорослей. И были удобные источники воды для проверки: Галвестон-Бич, Хьюстон-Брейс и залив Баффало.

С каждого собрали воду. Сначала они прикрепляли к электродам свою кишечную палочку, но микробы отказывались оставаться на месте. «Они естественным образом не прилипают к электроду», — сказал Аджо-Франклин. «Мы используем штаммы, которые не образуют биопленок, поэтому, когда мы добавляли воду, они отпадали».

В процессе тестирования. устройства подают электрический сигнал при срабатывании речной воды, содержащей целевой загрязнитель. Фото Брэндона Мартина

Когда это произошло, электроды произвели больше шума, чем сигнала.

Наняв соавтора Сюй Чжана, исследователя с докторской степенью в лаборатории Аджо-Франклина, они инкапсулировали датчики в агарозу в форме леденца на палочке, которая пропускала загрязняющие вещества, но удерживала датчики на месте, уменьшая шум.

«Сюй имеет опыт работы в области инженерии по охране окружающей среды», — сказал Аджо-Франклин. «Она не пришла и не сказала: «О, мы должны исправить биологию». Она сказала: «Что мы можем сделать с материалами?» Потребовалась колоссальная инновационная работа над материалами, чтобы заставить синтетическую биологию сиять. ».

При наличии физических ограничений лаборатории сначала закодировали E. coli для экспрессии синтетического пути, который генерирует ток только при встрече с тиосульфатом. Этот живой датчик смог обнаружить это химическое вещество на уровне менее 0,25 миллимоля на литр, что намного ниже уровней, токсичных для рыб.

В другом эксперименте E. coli была перекодирована для обнаружения эндокринного разрушителя. Это также сработало хорошо, и сигналы значительно усилились, когда проводящие наночастицы, специально синтезированные Су, были инкапсулированы с клетками леденца на палочке из агарозы. Исследователи сообщили, что эти инкапсулированные датчики обнаруживают это загрязнение в 10 раз быстрее, чем предыдущие современные устройства.

Исследование началось случайно, когда Аткинсон и Моше Барух из группы Аджо-Франклина в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли расположились рядом друг с другом на конференции по синтетической биологии в Чикаго в 2015 году, с плакатами, которые они быстро поняли, излагая различные аспекты одной и той же идеи.

Синтетические биологи риса Кэролайн Айо-Франклин и Джофф Силберг. Фото Брэндона Мартина

«У нас были соседние плакаты из-за наших фамилий», — сказал Аткинсон. «Большую часть стендовой сессии мы провели, болтая о проектах друг друга и о том, что наши интересы в области сопряжения клеток с электродами и электронами в качестве носителя информации явно совпадают».

«На плакате Джоша был наш первый модуль: как взять химическую информацию и превратить ее в биохимическую информацию», — вспоминает Аджо-Франклин. «У Моше был третий модуль: как получить биохимическую информацию и превратить ее в электрический сигнал.

«Загвоздка заключалась в том, как связать их вместе», — сказала она. «Биохимические сигналы были немного другими».

«Мы сказали: «Нам нужно собраться и обсудить это!» — вспоминает Силберг. В течение шести месяцев новые сотрудники получили начальное финансирование от Управления военно-морских исследований, а затем грант на развитие идеи.

«Группа Джоффа представила белковую инженерию и половину пути переноса электронов», — сказал Аджо-Франклин. «Моя группа принесла вторую половину пути электронного транспорта и некоторые материалы». Сотрудничество в конечном итоге привело Аджо-Франклин к Райс в 2019 году в качестве стипендиата CPRIT.

«Мы должны отдать должное Лину и Джошу», — сказала она. «Они никогда не отказывались от этого проекта, и он был невероятно синергетическим. Они обменивались идеями и благодаря этому обмену решали множество проблем».

Лин СуДжош Аткинсон

«На каждую из которых другой студент мог бы потратить годы», — добавил Силберг.

«И Джош, и я потратили на это несколько лет работы над докторской диссертацией, испытывая давление, связанное с получением диплома и переходом к следующему этапу нашей карьеры», — сказал Су, приглашенный аспирант в лаборатории Аджо-Франклин после окончания учебы. из Юго-восточного университета в Китае. «Мне пришлось несколько раз продлевать визу, чтобы остаться и закончить исследование».

Силберг сказал, что сложность конструкции выходит далеко за рамки сигнального пути. «Цепь состоит из восьми компонентов, которые контролируют поток электронов, но есть и другие компоненты, из которых строятся провода, идущие к молекулам», — сказал он. «Существует полтора десятка компонентов с почти 30 металлическими или органическими кофакторами. Эта штука огромна по сравнению с чем-то вроде наших митохондриальных дыхательных цепей».

Все отметили неоценимую помощь соавтора Джорджа Беннета, почетного профессора Райс Э. Делл Мясника и профессора-исследователя в области биологических наук в установлении необходимых связей.

Постдокторант Райс Сюй Чжан готовит образец воды для тестирования с помощью программируемых бактерий, которые проверяют наличие загрязнителей и выдают электронный сигнал для обнаружения в режиме реального времени. Фото Брэндона Мартина

Силберг сказал, что он видит искусственные микробы в будущем, выполняющими множество задач, от мониторинга микробиома кишечника до обнаружения загрязняющих веществ, таких как вирусы, улучшая успешную стратегию тестирования очистных сооружений на наличие SARS-CoV-19. во время пандемии.

— Мониторинг в реальном времени становится очень важным с этими переходными импульсами, — сказал он. «И поскольку мы выращиваем эти датчики, их производство потенциально довольно дешево».

С этой целью команда сотрудничает с Рафаэлем Вердуско, профессором химической и биомолекулярной инженерии, а также материаловедения и наноинженерии, который возглавляет недавний грант Национального научного фонда в размере 2 млн. и инженер-эколог Лорен Стадлер для разработки мониторинга сточных вод в режиме реального времени.

«Материалы, которые мы можем производить с Raphael, выводят это на совершенно новый уровень, — сказал Аджо-Франклин.

Силберг сказал, что лаборатории Райса работают над правилами проектирования для разработки библиотеки модульных датчиков. «Я надеюсь, что когда люди прочитают это, они осознают открывающиеся возможности», — сказал он.

Силберг — профессор биологических наук Мемориала Стюарта и профессор биоинженерии в Райс. Айо-Франклин — профессор биологических наук. Аткинсон является приглашенным постдокторантом Национального научного фонда в Орхусском университете, Дания, и имеет связи с Университетом Южной Калифорнии. Су является постдокторским научным сотрудником и научным сотрудником Леверхалма в Кембриджском университете.

Исследование проводилось при поддержке Управления науки, Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США (DE-SC0014462), Управления военно-морских исследований (0001418IP00037, N00014-17-1-2639, N00014-20-1). -2274), Техасский научно-исследовательский институт профилактики рака (RR1

), Национальный научный фонд (1843556), Программа исследований аспирантов Управления науки Министерства энергетики (DE SC0014664), Стипендия Лодиески Стокбридж Вон и Китайский стипендиальный совет Товарищество (CSC-2016060

).

Рецензируемое исследование

Мониторинг загрязнения окружающей среды в режиме реального времени с использованием живых электронных датчиков: https://www. nature.com/articles/s41586-022-05356-y

Видео

Произведено Brandon Martin/Rice UniversityИзображения для скачивания

Изображения для скачивания

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1107_SENSORS-1-web.jpg

Пакоподобная биоэлектроника, разработанная в Университете Райса, содержит программируемые бактерии и прикреплена к электроду, который подает сигнал при обнаружении целевого загрязнителя, обеспечивая обнаружение в реальном времени. (Источник: Брэндон Мартин/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1107_SENSORS-2-web.jpg

Устройства, похожие на шайбы, разработанные учеными и инженерами Университета Райса, содержат множество программируемых бактерий, которые могут обнаруживать загрязняющие вещества и сообщать об их присутствии в режиме реального времени. Бактерии выпускают электрический сигнал при срабатывании. (Фото: Брэндон Мартин/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1107_SENSORS-3-web.jpg

Сюй Чжан, исследователь с докторской степенью в Университете Райса, берет образец воды из хьюстонского залива Баффало для тестирования с помощью искусственных живых микробов, предназначенных для обнаружения загрязняющих веществ. Когда микробы находят следы целевого загрязнителя, они испускают электрический сигнал, который можно прочитать почти сразу. (Источник: Брэндон Мартин/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1107_SENSORS-4-web.jpg

Синтетические биологи из Университета Райса Кэролайн Аджо-Франклин и Джофф Силберг и их лаборатории разработали программируемых бактерий, которые чувствуют загрязняющие вещества и испускают электронный сигнал в режиме реального времени. (Источник: Брэндон Мартин/Университет Райса)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/10/1107_SENSORS-5-web. jpg

Постдокторант Университета Райса Сюй Чжан подготавливает образец воды для тестирования с помощью программируемых бактерий, которые проверяют наличие загрязняющих веществ и выдают электронный сигнал для обнаружения в режиме реального времени. (Фото: Брэндон Мартин/Университет Райса)

Сопутствующие материалы

Лаборатория риса выращивает макромасштабные модульные материалы из бактерий: https://news.rice.edu/news/2022/rice-lab-grows-macroscale-modular-materials-bacteria

Switch-in-a-cell электризует жизнь: https://news2.rice.edu/2018/12/17/switch-in-a-cell-electrified-life-2/

Бактериальный «хулиган» может улучшить производство продуктов питания: https://news.rice.edu/news/2022/bacterial-bully-could-improve-food-production

Исследование живых датчиков получает федеральную поддержку: https://news.rice.edu/news/2022/living-sensor-research-wins-federal-backing

Лаборатории дают древним белкам новое назначение: https://news2. rice.edu/2019/07/01/labs-give-ancient-proteins-new-purpose-2/

«Блогеры» и «шпионы» будут выяснять морские процессы: https://news2.rice.edu/2018/05/18/bloggers-and-spies-will-clarify-marine-processes-2/

Системы, синтетическая и физическая биология Ph.D. Программа: https://sspb.rice.edu

Лаборатория Силберга: https://www.silberglab.org

Лаборатория Аджо-Франклина: https://cafgroup.rice.edu

Лаборатория полимерной инженерии (Verduzco): http://verduzcolab.blogs.rice.edu

Лаборатория Беннета: http://www.bioc.rice.edu/~gbennett/

О рисе

Расположенный в 300-акровом лесном кампусе в Хьюстоне, Университет Райса неизменно входит в число 20 лучших университетов страны по версии US News & World Report. Райс имеет очень уважаемые школы архитектуры, бизнеса, непрерывного обучения, инженерии, гуманитарных наук, музыки, естественных и социальных наук, а также является домом для Института государственной политики Бейкера.