Гиперспектральная камера «увидела» модифицированную бактерию с высоты 90 метров

Генетически кодируемые репортеры — ценные инструменты для биологической визуализации и количественной оценки интересующих параметров. Однако они подходят лишь для получения изображений на сравнительно близком расстоянии в лабораторных условиях, но не для использования в обширных открытых пространствах. По крайней мере, так было до тех пор, пока авторы статьи в Nature Biotechnology не сконструировали репортерную систему, которая позволяет детектировать клетки бактерий с расстояния до 90 метров.

GFP и другие цветные флуоресцентные белки излучают в спектре от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Однако использование их в качестве репортеров ограничено необходимостью лазерного возбуждения и возникновением фоновой автофлуоресценции — максимальная площадь, которую до этого удавалось охватить измерениями, составляла 5 м². Чтобы собрать из окружающей среды больше сигнала и расширить этот диапазон, исследователи воспользовались гиперспектральной съемкой. В камерах гиперспектральной визуализации (HSI) каждый пиксель представляет собой не отдельное значение интенсивности света, а почти непрерывный его спектр. Эти камеры могут работать в широком диапазоне масштабов — от микроскопических до планетарных — и применяются в земледелии, экологических скринингах и судебной экспертизе.

Для детекции такими камерами ученые создали гиперспектральные репортеры — так они обозначили ген или оперон, обеспечивающий синтез молекулы, которую можно обнаружить HSI. Поглощение молекулы снижает интенсивность отражения на определенных длинах волн, и в идеале информацию можно извлекать из всего спектра. Однако спектры поглощения метаболитов доступны для небольшого числа метаболитов, поэтому исследователи прибегли к моделированию методами квантовой химии. Они предсказали спектры поглощения 20 177 метаболитов, каталогизированных в биохимических базах данных, чтобы выбрать соединения с наиболее уникальными спектрами поглощения.

Однако помимо уникальности важно, чтобы метаболит-репортер было легко синтезировать в исследуемом организме. Поэтому авторы подсчитали количество рекомбинантных ферментов, необходимых для получения метаболита в клетках конкретного вида бактерий. Руководствуясь минимальным числом ферментов и максимальной уникальностью спектра, исследователи выбрали биливердин IXα для Pseudomonas putida, почвенной бактерии, широко используемой в сельском хозяйстве, и бактериохлорофилл a для Rubrivivax gelatinosus, водной пурпурной бактерии.

Для количественной оценки репортерного метаболита по гиперспектральному изображению авторы разработали алгоритм компьютерного зрения. Проверка обнаружимости репортеров в лабораторных условиях показала, что несмотря на экспрессию нужных ферментов в клетках бактерий, биливердин Ixα в них не детектировался. Поэтому схему немного изменили — для стабилизации метаболита его связывали малым ультракрасным флуоресцентным белком (SmURFP).

Подтвердив возможность детекции в такой системе — предел обнаружения с расстояния 0,5 м составил 3,4 × 105 колониеобразующих единиц (КОЕ) на мм²— авторы перешли к тестированию в различных природных условиях. Съемку проводили на песке, на богатых почвах и на различных типах горных пород — как на поверхности, так и под небольшим слоем почвы. Ученые индуцировали экспрессию генов репортерной системы в P. putida и проводили съемку с разных расстояний. Полумаксимальный сигнал достигался через 7,8 ± 1,6 часов после индукции. Расстояние, на котором оказалось возможно обнаружить бактериальные клетки с репортерным метаболитом, оказалось впечатляющим — детектировать их индукцию удавалось с 90 м. Для съемки камеру гиперспектральную камеру устанавливали на крыше здания или помещали ее на квадрокоптер. Подобная аппаратура позволяет делать одиночные снимки площадью в акр (4 000 м²) примерно за 30 с.

Использование гиперспектральных репортеров открывает возможности для создания биосенсоров, применимых в различных природных условиях. Это позволит проводить экологический мониторинг, например, картировать загрязнения окружающей среды, измерять питательность почвы для сельскохозяйственных культур или выявлять микротрещины в цементе, колонизированные бактериями.

Создан дрон для сбора экологической ДНК с ветвей деревьев