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Cómo las bacterias brillantes en la suciedad podrían algún día salvar vidas

Cómo las bacterias brillantes en la suciedad podrían algún día salvar vidas

Las minas terrestres que quedaron de conflictos anteriores, o las que aún se están combatiendo, representan una amenaza silenciosa para millones de personas en todo el mundo. Con la ayuda de bacterias que brillan en su presencia, estos peligros ocultos pueden algún día ser encontrados y eliminados o destruidos de manera segura.

Investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalén pasaron una década desarrollando sensores de minas terrestres vivos utilizando la bacteria E. coli. En estudios recientes, describen su progreso más reciente. Utilizando la ingeniería genética, pueden convertir cada bacteria en “una luciérnaga en miniatura” en presencia de una sustancia química asociada con los explosivos, dijo Shimshon Belkin, microbiólogo de la Universidad Hebrea que dirige la investigación.

En 2019, más de 5.500 personas murieron o resultaron heridas por minas terrestres y restos explosivos de guerra, y el 80% de ellas eran civiles, según la Campaña Internacional para la Prohibición de las Minas Terrestres. Las minas terrestres antipersonal, que pueden tener solo unos pocos centímetros de diámetro y pueden ocultarse fácilmente, son especialmente peligrosas. Las estimaciones varían para el recuento mundial de minas terrestres enterradas, pero llegan a 110 millones.

Se han probado muchas estrategias para localizar minas terrestres, como el uso de detectores de metales y el adiestramiento de animales detectores, incluido un ratón galardonado que ayudó a localizar 71 minas terrestres antes de retirarse. Cada método equilibra los beneficios con los riesgos y los costos.

La idea de recablear bacterias para detectar minas terrestres se originó con Robert Burlage, entonces en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. A mediados de la década de 1990, el Dr. Burlage trabajó para que las bacterias se iluminaran en respuesta a los desechos orgánicos y al mercurio. Buscando una nueva aplicación para esta técnica, se le ocurrió la idea de tratar de apuntar a los químicos de las minas terrestres.

Aunque el Dr. Burlage realizó algunas pequeñas pruebas de campo, no pudo obtener más fondos y siguió adelante. “Mi vergonzosa historia”, dijo Burlage, ahora profesor en la Universidad Concordia de Wisconsin.

El trabajo del Dr. Burlage ha sido una inspiración para los investigadores israelíes y dice que quiere lo mejor en sus esfuerzos por desarrollar la tecnología.

Las bacterias son baratas y prescindibles y pueden extenderse por una gran cantidad de suelo. Y son relativamente rápidos para informar: en unas pocas horas, o incluso en un día, brillan o no.

En estudios publicados el año pasado en Current Research in Biotechnology and Microbial Biotechnology, el Dr. Belkin y su equipo describen cómo manipular dos componentes principales del código genético de E. coli: fragmentos de ADN llamados “promotores” que actúan como interruptores de encendido / apagado. se apaga para genes y “reporteros” que desencadenan reacciones de emisión de luz. Para producir este efecto, los investigadores tomaron prestados genes de bacterias marinas que emiten luz de forma natural al océano.

Los científicos sintonizaron la bacteria con una sustancia química llamada 2,4-dinitrotolueno o DNT, un subproducto volátil del trinitrotolueno o TNT. Con el tiempo, el vapor de DNT se filtra en el suelo alrededor de una mina terrestre y las bacterias pueden olfatearlo.

En lugar de vagar libremente, las bacterias están inmovilizadas en pequeñas gotas gelatinosas que las alimentan mientras trabajan. Cada cuenta, de aproximadamente uno a tres milímetros de diámetro, contiene alrededor de 150.000 células activas.

Estos últimos cultivos de bacterias modificadas genéticamente reaccionan más rápido y son más sensibles que las bacterias en las primeras pruebas de campo del grupo, dijo Belkin. Y los científicos ya no necesitan usar una señal láser para activar el brillo.

Uno de los principales desafíos que el grupo está trabajando para superar es localizar de manera segura las bacterias bioluminiscentes en un campo minado real. Cuando detectan minas terrestres, su brillo es tan tenue que la luz de la luna, las estrellas o las ciudades cercanas pueden ahogarlas.

Para ayudar a resolver este problema, Aharon J. Agranat, un bioingeniero de la Universidad Hebrea, y otros investigadores informaron en abril en la revista Biosensors and Bioelectronics que han desarrollado un dispositivo que protege las bacterias y detecta su brillo. Este sistema de sensores puede luego informar sus hallazgos a una computadora cercana, pero no se ha probado fuera de un laboratorio.

Los investigadores también han llevado a cabo recientemente pruebas de campo en Israel, colaborando con el ejército israelí para garantizar la seguridad de los experimentos, así como con una empresa de defensa israelí. Los resultados de estas pruebas no se han publicado, pero el Dr. Belkin las calificó como “generalmente muy exitosas”.

En el futuro, el equipo espera usar drones para implantar sensores bacterianos en un campo minado, eliminando la necesidad de que los humanos se acerquen.

El Dr. Burlage se encontró con otro problema hace décadas con el que el grupo de la Universidad Hebrea todavía lucha ahora: la temperatura. Los sensores de bacterias israelíes solo funcionan entre 59 y 99 grados Fahrenheit, lo que significa que los investigadores deberán descubrir cómo adaptar sus sistemas a las condiciones más cálidas del desierto.

Los bioingenieros israelíes también reconocen que sus sensores bacterianos pueden usarse tanto con fines humanitarios como militares. DARPA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, contribuyó con fondos para su investigación.

Sin embargo, los sensores bacterianos para minas terrestres ejemplifican cómo el campo de la biología sintética ha crecido “a pasos agigantados en las últimas décadas”, dijo el Dr. Timothy K. Lu, cofundador de Senti Biosciences e ingeniero biológico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien no participó en estos estudios.

“Es muy emocionante y espero ver este tipo de aplicación comenzar a migrar del laboratorio al mundo real”, dijo el Dr. Lu.

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