Forscher erschaffen E. coli

23. Februar 2023

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von der University of California, Irvine

Escherichia coli wird oft mit kontaminierten Lebensmitteln in Verbindung gebracht, aber E. coli ist seit langem ein Arbeitstier in der Biotechnologie. Wissenschaftler der University of California in Irvine haben gezeigt, dass das Bakterium als Teil eines Systems zur Erkennung von Schwermetallverunreinigungen im Wasser einen weiteren Wert hat.

E. coli zeigt in Gegenwart von Metallionen eine biochemische Reaktion, eine leichte Veränderung, die Forscher mit chemisch zusammengesetzten optischen Goldnanopartikelsensoren beobachten konnten. Durch eine maschinelle Lernanalyse der optischen Spektren von Metaboliten, die als Reaktion auf Chrom- und Arsen-Exposition freigesetzt wurden, konnten die Wissenschaftler Metalle in Konzentrationen nachweisen, die eine Milliarde Mal niedriger waren als diejenigen, die zum Zelltod führten – und gleichzeitig die Art der Schwermetalle ableiten und Menge mit einer Genauigkeit von mehr als 96 Prozent.

Der Prozess, der nach Angaben der Forscher in etwa 10 Minuten abgeschlossen werden kann, ist Gegenstand einer Studie, die in Proceedings of the National Academy of Sciences erscheint.

„Diese neue Wasserüberwachungsmethode, die von UCI-Forschern entwickelt wurde, ist hochempfindlich, schnell und vielseitig“, sagte Co-Autorin Regina Ragan, UCI-Professorin für Materialwissenschaften und -technik. „Es kann umfassend eingesetzt werden, um Giftstoffe an ihren Quellen im Trink- und Bewässerungswasser sowie im Abfluss von Landwirtschaft und Industrie zu überwachen. Dieses System kann eine Frühwarnung vor Schwermetallverunreinigungen bereitstellen, um die menschliche Gesundheit und Ökosysteme zu schützen.“

Neben dem Nachweis, dass Bakterien wie E. coli unsicheres Wasser erkennen können, beleuchteten die Forscher auch die anderen notwendigen Komponenten – mit molekularer Präzision zusammengesetzte Goldnanopartikel und Algorithmen für maschinelles Lernen –, die die Empfindlichkeit ihres Überwachungssystems erheblich steigerten. Ragan sagte, es könne zur Erkennung von Metallgiften – darunter Arsen, Cadmium, Chrom, Kupfer, Blei und Quecksilber – in Konzentrationen eingesetzt werden, die um Größenordnungen unter den gesetzlichen Grenzwerten liegen, um frühzeitig vor Kontaminationen zu warnen.

In der Studie erklärten die Wissenschaftler, dass sie trainierte Algorithmen auf unsichtbare Leitungswasser- und Abwasserproben anwenden können, was bedeutet, dass das System auf Wasserquellen und -vorräte überall auf der Welt übertragen werden kann.

„Diese Transfer-Lernmethode ermöglichte es den Algorithmen, mit einer Genauigkeit von mehr als 96 Prozent und mit einer Genauigkeit von 92 Prozent für behandeltes Abwasser zu bestimmen, ob Trinkwasser innerhalb der empfohlenen Grenzwerte der US-Umweltschutzbehörde und der Weltgesundheitsorganisation für jeden Schadstoff lag“, sagte Ragan.

„Der Zugang zu sauberem Wasser ist für die Gesundheit der Menschen und des Planeten notwendig“, fügte sie hinzu. „Um die Einführung einer Reihe von Schadstoffen in die Wasserversorgung zu überwachen, ist eine neue Technologie erforderlich, die kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann. Dies ist ein entscheidender Teil der Lösung für die Wassersicherheit angesichts von Verschmutzung und Klimawandel.“

Mehr Informationen: Hong Wei et al., Dekodierung der Stoffwechselreaktion von Escherichia coli zur Erkennung von Schwermetallspuren in Wasser, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2210061120

Zeitschrifteninformationen:Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

Zur Verfügung gestellt von der University of California, Irvine