Биосенсор на основе бактерий помог оценить чистоту воды

Додецилсульфат натрия (SDS) — высокоактивное чистящее средство, которое входит в состав большинства стиральных порошков, жидкостей для мытья посуды, шампуней и зубных паст. Кроме того, это соединение способно разрушать оболочку вирусных частиц, поэтому его используют в антисептиках. С каждым годом растущий спрос на подобную бытовую химию, особенно в условиях пандемии, привел к тому, что использование SDS также увеличилось. По оценкам специалистов, на сегодняшний день объем рынка этого вещества достигает 500 миллионов долларов и за ближайшие пять лет вырастет примерно на 4%. Это, в свою очередь, заставляет задуматься о вреде, который SDS наносит природе, попадая со сточными водами в окружающую среду. Оказываясь вместе с загрязненной водой в организме животных и человека, SDS может вызвать отравление, ослабление иммунитета и даже развитие злокачественных опухолей. В связи с этим экологи пристально отслеживают содержание додецилсульфата натрия в питьевой и технической воде, где его количество не должно превышать 0,5 и 1,0 мг/л соответственно.

Для мониторинга содержания SDS существует множество аналитических методов, однако они крайне затратны по времени и требуют дорогого оборудования. Хорошей альтернативой выступают биосенсоры на основе клеток бактерий. В них используются микроорганизмы определенного штамма, способные тем или иным образом реагировать на присутствие интересующего компонента в среде. Например, они могут потреблять его в пищу, а ученые электрическими датчиками фиксируют изменения, происходящие при этом в растворе или в клетках бактерий.

Исследователи из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) и Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевскогo (Саратов) разработали биосенсор для определения содержания SDS на основе бактерий Herbaspirillum lusitanum. Эти микроорганизмы используют додецилсульфат натрия в качестве единственного источника углерода — необходимого для их жизнедеятельности макроэлемента. Сначала авторы проанализировали геном бактерии и подтвердили, что она имеет ферменты, необходимые для разложения SDS. Далее экспериментально проверили их активность, поместив культуру клеток в среду с додецилсульфатом натрия. Оказалось, что H. lusitanum разлагал до 92% этого соединения, если его количество не превышало 50 мг/л. При более высоких концентрациях рост бактерий и способность использовать SDS подавлялись из-за токсического эффекта.

Затем ученые проверили, можно ли использовать H. lusitanum в качестве основы биосенсора — для этого авторы измерили поляризацию клеточной мембраны у бактерий, то есть разницу заряда с ее внешней и внутренней стороны. С помощью мембраны микроорганизмы способны воспринимать различные химические и физические сигналы, например, о том, сколько питательных компонентов находится в среде, какая температура вокруг и есть ли поблизости угрозы. Затем этот «входящий сигнал» преобразуется в электрический, из-за чего изменяется поляризация клетки. Оказалось, что добавление всего 0,01 мг/л SDS снижало электрические сигналы на поверхности бактерий на 14% по сравнению с исходным значением, и дальнейший рост концентрации реагента еще более увеличивал разницу. Такой эффект объясняется тем, что SDS связывается с оболочкой и изменяет ее заряд.

«Мы разработали биосенсор на основе бактериальных клеток, который позволяет определить содержание SDS с точностью до 0,01 мг/л, что значительно ниже официальных требований по содержанию этого вещества в питьевой и технической воде. Это говорит о том, что предложенную систему можно использовать для быстрого и высокоточного мониторинга состояния водоемов. В дальнейшем мы планируем искать новые варианты биосенсоров для различных загрязнителей на основе других штаммов микроорганизмов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Наталья Величко, кандидат биологических наук, сотрудник Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.