Científicos han diseñado bacterias para detectar diversas moléculas, pero los métodos tradicionales para detectar estas señales requieren observación microscópica, lo que limita su practicidad. Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado una nueva técnica que permite a las bacterias producir combinaciones únicas de colores, lo que posibilita la detección de estas señales desde distancias de hasta 90 metros utilizando cámaras especializadas. Este avance podría revolucionar las aplicaciones de detección bacteriana en la agricultura y más allá, potencialmente monitoreadas por drones o satélites.

Ingenieros del MIT han desarrollado un método innovador para detectar señales de bacterias modificadas genéticamente de forma remota, abriendo puertas a diversas aplicaciones, particularmente en agricultura y monitoreo ambiental. La innovación central reside en equipar a las bacterias con la capacidad de producir combinaciones únicas de color, detectables a distancia utilizando cámaras hiperespectrales.

Anteriormente, la detección de señales de bacterias modificadas genéticamente requería observación microscópica, lo que limitaba su uso práctico para aplicaciones a gran escala. Sin embargo, este nuevo enfoque permite la detección remota, como lo demostraron los investigadores. Lograron leer señales bacterianas desde una distancia de hasta 90 metros, allanando el camino para aplicaciones de monitoreo utilizando drones o satélites. Christopher Voigt, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, enfatiza la novedad de este enfoque, afirmando que la información se puede obtener desde cientos de metros de distancia utilizando cámaras específicas, incluso si la señal es invisible a simple vista cuando se está junto a las bacterias.

Los investigadores modificaron genéticamente dos tipos diferentes de bacterias para producir moléculas que emiten distintas longitudes de onda de luz en los espectros visible e infrarrojo. Estas moléculas reporteras están vinculadas a circuitos genéticos que detectan factores ambientales específicos. Esta tecnología es versátil, ya que se puede combinar con cualquier sensor existente, como los de arsénico u otros contaminantes, según Yonatan Chemla, un postdoctorado del MIT. Esta capacidad “plug and play” hace que la tecnología sea altamente adaptable a diversas necesidades de detección.

La clave de esta capacidad de detección remota es el uso de cámaras hiperespectrales. Estas cámaras, que se inventaron por primera vez en la década de 1970, pueden analizar la luz emitida por las bacterias, descomponiéndola en cientos de longitudes de onda diferentes. Esto permite la identificación de moléculas reporteras específicas basadas en sus firmas espectrales únicas.

El equipo del MIT se inspiró en el uso de cámaras hiperespectrales en aplicaciones como la detección de radiación y problemas de salud de las plantas. Hipotetizaron que podrían modificar genéticamente células bacterianas para producir reporteros hiperespectrales cuando detectan una molécula objetivo.

Los investigadores realizaron cálculos cuánticos para predecir las firmas hiperespectrales de aproximadamente 20.000 moléculas celulares naturales. Esto les permitió identificar moléculas con los patrones de emisión de luz más únicos. La molécula ideal es aquella que es fácilmente detectable y requiere la menor cantidad de enzimas para producirla en la célula, según Voigt.

En su estudio, los investigadores identificaron dos moléculas más adecuadas para dos tipos de bacterias. Para *Pseudomonas putida*, una bacteria del suelo, utilizaron biliverdina, un pigmento de la descomposición del hemo. Para *Rubrivivax gelatinosus*, una bacteria acuática, utilizaron un tipo de bacterioclorofila. Modificaron genéticamente las enzimas necesarias en cada bacteria y las vincularon a circuitos sensores genéticamente modificados.

Voigt explica que estos reporteros se pueden agregar a cualquier célula con un sensor codificado genéticamente, lo que le permite responder a varios factores ambientales. La salida del sensor es la producción de una molécula que se puede detectar a distancia.

Los investigadores vincularon los reporteros hiperespectrales a circuitos diseñados para la detección de quórum, lo que permite a las células detectar otras bacterias cercanas. También han demostrado que estas moléculas reporteras se pueden vincular a sensores de productos químicos, incluido el arsénico.

Los sensores se probaron en cajas contenidas colocadas en varios entornos, y las señales se detectaron utilizando cámaras hiperespectrales montadas en drones. Las cámaras escanean el campo de visión en 20 a 30 segundos, y los algoritmos informáticos analizan las señales para determinar la presencia de los reporteros hiperespectrales.

Los investigadores informaron imágenes desde una distancia máxima de 90 metros, con esfuerzos continuos para extender este rango. Visualizan aplicaciones en agricultura, como la detección de niveles de nitrógeno o nutrientes en el suelo, y potencialmente en la detección de minas terrestres.

Antes de su implementación, estos sensores requerirán la aprobación regulatoria de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos si se utilizan en agricultura. Voigt y Chemla están trabajando activamente con estas agencias y otras partes interesadas para abordar las preocupaciones de seguridad y determinar los requisitos para la aprobación. Chemla enfatiza los esfuerzos en curso para comprender el panorama regulatorio, las preocupaciones de seguridad, los riesgos y los beneficios de esta tecnología.

La investigación fue financiada por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación del Ejército y el Ministerio de Defensa de Israel. Esta financiación apoyó la ingeniería de cepas ambientales, la optimización de sensores codificados genéticamente y las vías biosintéticas de reporteros hiperespectrales.

Ingenieros del MIT han creado un método innovador para detectar señales bacterianas a larga distancia utilizando cámaras hiperespectrales, mediante la ingeniería de bacterias para producir firmas de color únicas. Esta tecnología “plug-and-play”, aplicable a diversos sensores (arsénico, contaminantes, nutrientes), promete avances en agricultura, monitoreo ambiental e incluso detección de minas terrestres. Si bien se necesitan aprobaciones regulatorias, esta innovación tiene un inmenso potencial para revolucionar la forma en que monitoreamos e interactuamos con nuestro entorno, instándonos a considerar las profundas implicaciones de aprovechar los sistemas biológicos para la detección a gran escala.