La biologie synthétique a été combinée à l’ingénierie électrique pour créer un petit capteur bioélectrique capable de détecter les contaminants de l’eau en quelques minutes seulement.

Le capteur est actuellement au stade de prototype et n’est pas encore produit commercialement, mais a déjà été utilisé pour détecter le thiosulfate, connu pour provoquer des proliférations d’algues, en 2 minutes, ainsi que le perturbateur endocrinien 4-hydroxytamoxifène (4-HT) en 3 minutes. .

Des méthodes de détection de ces polluants environnementaux, et d’autres tels que les nitrates et les phosphates, existent. Celles-ci incluent la spectrométrie de masse et d’autres types d’analyses, mais peuvent prendre beaucoup de temps, nécessiter des instruments sophistiqués et la préparation d’échantillons en laboratoire.

« Nous pensons que cette capacité à savoir que quelque chose de grave se passe et à intervenir rapidement est extrêmement critique », déclare Caroline Ajo-Franklin, professeur à l’Université Rice, qui a codirigé la recherche. De nombreux autres biocapteurs utilisent la couleur ou la fluorescence comme moyen de signaler qu’un produit chimique d’intérêt est présent. « Le problème est que de nombreux environnements sont opaques et que vous ne pouvez tout simplement pas utiliser des lectures optiques », explique Ajo-Franklin.

L’équipe a conçu Escherichia coli pour produire du courant électrique lorsqu’un produit chimique d’intérêt est présent. Le co-chercheur principal Jonathan Silberg, également chez Rice, décrit cela comme étant un peu comme un fil qui dirige normalement les électrons pour qu’ils circulent d’un produit chimique cellulaire vers une électrode, mais qui est actuellement cassé au milieu. Lorsque le contaminant entre en contact avec la bactérie, le fil reconnecte la voie, produisant un signal électrique.

La E. coli dans le prototype a une chaîne de transport d’électrons modulaire et synthétique. Un facteur clé est que cette chaîne peut être modifiée pour détecter différents produits chimiques. Dans cette étude, un sulfate et un perturbateur endocrinien ont été détectés, mais les chercheurs prévoient d’étendre la portée du capteur pour couvrir d’autres contaminants à l’avenir.

Ajo-Franklin décrit leur prototype comme ressemblant un peu à une rondelle de hockey en termes de forme et de taille. «Nous avons développé des moyens de nous assurer physiquement que toutes les bactéries présentes dans cet appareil restent à l’intérieur de l’appareil. C’est un élément vraiment essentiel pour pouvoir le déployer dans l’environnement.

Alors que la version actuelle du capteur est un appareil portable qui peut être utilisé sur le terrain, l’équipe espère créer un appareil qui pourrait être laissé dans l’eau pour la télédétection.

L’expert en bioélectronique Tom Zajdel de l’Université Carnegie Mellon convient que le placement à long terme de ces appareils serait idéal. Il ajoute qu’ils ont l’avantage de ne pas nécessiter beaucoup de puissance pour fonctionner, mais prévient « Je pense que la longévité du capteur est le plus grand défi, la plus grande inconnue. »

L’équipe Rice prévoit maintenant d’améliorer et d’étendre les capacités de son capteur. Une façon d’y parvenir est d’explorer le potentiel de détection de plusieurs produits chimiques en même temps. «Nous envisageons de multiplexer de deux manières différentes. L’un est spatial, mais l’autre chose que nous faisons est le multiplexage basé sur différentes voies de transfert d’électrons qui ont des potentiels redox différents», explique Ajo-Franklin.

Les chercheurs veulent également explorer si une chaîne de transport d’électrons similaire pourrait être conçue dans d’autres microbes, tels que ceux qui sont capables de vivre dans l’eau salée ou saumâtre, comme E. coli ne convient pas pour tester tous les types d’échantillons d’eau.