Bilim İnsanları İçme Suyundaki Ağır Metallerin Tespiti için Zararsız Bakterileri Kullanıyor
Fotoğraf: (L – R) Profesör Jeff Hasty tarafından yönteilen UCSD Biodynamics Lab’da çalışan Gregoire Thouvenin ve Nicholas Csicsery. Kredi bilgileri: Kaliforniya Üniversitesi – San Diego)
İçme suyu kurşun veya kadmiyum gibi ağır metalleri içerdiği için tehlikeli kirleticiler için testler söz konusu olduğunda bilim insanlarının bu konuda çalışmalar yapması son derece önemlidir. Kaliforniya Üniversitesi, San Diego’dan ve ona bağlı Quantitative BioSciences’ten oluşan ekip bu durumu iyileştirmek için çalışıyor.
Kaliforniya Üniversitesi, San Diego Biyomühendislik bölümü mezunu Natalie Cookson “Su içmek bir süre için iyiyse, sonrasında kötü sonuçlar doğurabiliyor” diyor. Bu çalışma sayesinde insanların su içmek için kullandıkları musluklara kurulabilecek uygun fiyatlı su testleri sistemlerinin üretilmesini umuyor. Örneğin, Flint Michigan’daki arıtma tesisinden çıkan su tehlikeli derecede yüksek kurşun seviyelerine sahip değilken, Flint sakinlerinin musluklarından dökülen suda kurşun seviyesi oldukça yüksek.
Ekip, kirlilik sensörü olarak bakterileri kullandı ve böylece içme suyundaki ağır metallerin sebep olduğu kirliliğin sürekli izlenmesini sağladı. Bu çalışmaları geçtiğimiz günlerde Ulusal Bilimler Akademisi tarafından çıkarılan Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) isimli dergisinde yayımlandı.
Ağır metallerin konut suyu için oldukça fazla seçenek olsa da okullarda, evlerde, çiftlik gibi daha geniş alanlarda bunu zorlaştıran iki şey maliyet ve lojistik açısından olan sınırlamalardır. San Diego ekibi bu engelleri kaldırmak istiyor.
Su Testi için E. Coli Bakterisi
Ağır metal kirleticilerin tespiti ve su izleme için bu yeni yaklaşım E. Coli bakterilerinin zararsız yapılarına dayanır. E. Coli gıda zehirlenmeleri konusunda manşetlerde yer alırken bu tür bakterilerin zararsız türleri dünyadaki bütün laboratuvarlarda birçok farklı araştırma amacıyla kullanılmaktadır. Onlar bakteri dünyasının laboratuvar fareleridir.
Nick Csicsery “E. Coli için onay aldık. Eğer arsenik oradaysa ve bunu biliyorsanız bize bildirin” diyor. Csicsery’nin açıklamasına göre E. Coli bakterileri metale bağlı olarak bazen bunu tespit edebilirken bazen ise edemiyordu. Csicsery biyomühendislik dalında doktorasına başlayarak sentetik biyoloji tabanlı izleme teknikleri geliştirmek için çalıştığı BioSciences’e katıldı.
Bu bakteriler sudaki ağır metalin varlığını bize nasıl bildirir?
Cevap, bakteriyel genomların insanlar birbirini nasıl tanıyorsa kirleticilere de o şekilde tepki vermesidir.
Kaliforniya Üniversites, San Diego Biyomühendislik doktora öğrencisi Gregoire Thouvenin “Bizi çevreleyen yaşam koduna erişimimiz var. Bakterileri incelerken çok daha derine inersiniz ve başlangıçta düşündüğünüzden daha fazla şeyle bağlantılı olduklarını görürsünüz” dedi.
Bu durumda bu bağlantıları kullanabilmek için biyomühendislikten, sentetik biyolojiden, mikroakışkanlardan, matematik ve veri bilimi gibi pek çok alandan araştırmacıların güçlerini birleştirmeleri gerekiyordu. Sonuç olarak sistem, iki hafta boyunca izlenen suda birbirinden farklı 2000 bakterinin yapılarını ve davranışını ne zaman değiştirdiğini tanımaya dayalı bir sistemdir.
E. coli Konağı
Bakteri kaynaklı bu test sisteminde her bir bakteri yapısı kendi küçük odasının içinde yaşar ve bu 2000 yapının tamamı sert ve yarı saydam bir malzemeden yapılmış aynı çip üzerinde sıralanır. Her odaya kontrollü bir şekilde su, kirletici madde ve besin veren küçük kanallar vardır.
Bu 2000 bakterinin her biri DNA’nın küçük bir dairesel parçasına (plazmit) sokulmuş, bir floresan çıktısının belirli bir genin aktif bölgesini vurgulamasını sağlayan genetik materyale sahiptir. Su kirletici etken genle etkileşime girdiğinde bakteri yanar.
Araştırmacılar mikroakışkanlar sayesinde hangi yapıların ne zaman yandığını kaydedebilirler. Bu göz kırmaya andıran tepki yapay zeka sisteminden beslenir. Sonuç olarak, bakterilerin bakteriler tarafından üretilen ışık yoluna dayanarak, sudaki ağır metallerle ve sebep oldukları kirleticilerle karşılaştıklarında tanımlanması otomatik bir yetenektir. Biyomühendislik doktora öğrencisi olan Garrett Graham projenin veri bilimi ve yapay zeka bölümünü yönetti. (North Carolina Institute for Climate Studies’ten mezun oldu ve şu anda da aynı üniversitede iklim analisti olarak çalışıyor.)
Buradaki ana fikir sistemin kirli suyu tanıması için insanların suyu yoğun olarak kullandığı yerlere kurulmasıdır.
Araştırmacılar, sistemlerinin gücünü ve esnekliğini göstermek için ağır metallerin tanımlanmasını seçerken yapay zeka bileşenlerinin de diğer kirleticileri tanımlamak için eğitilebileceğini söylüyor.
Tasarım ve Bilim Yapısı
Bu proje için en büyük ilerlemelerden biri iki hafta boyunca 2000 bakterinin yerleştirilmesi, beslenmesi ve takip edilmesi için sistemin nasıl kurulacağını, tasarlanacağını ve çalıştırılacağını bulmaktı.
Lizzy Stasiowski ve Nck Csicsery 2000 E. Coli bakterisinin aynı anda sisteme yüklenmesini sağlayan sistemin tasarımını ve imalatını yönetti.
Bu proje sayesinde sentetik biyoloji, genomik analiz ve makine öğrenimi ile üretme sanatı ve bilim bir araya geldi.
“Bu proje ile ilgili en sevdiğim şeylerden biri çok yönlü olabileceğidir. Sistemimiz herhangi bir çevresel değişikliğe eş zamanlı olarak binlerce bakteri yapısı için gendeki dinamik değişiklikleri izlemenizi sağlar. Hem endüstri hem de akademi için gerekli bir proje” diyor Stasiowski.
Stasiowski Kaliforniya Üniversitesi Biyomüendislik Bölümü’ndeki doktora eğitimini yakın bir zamanda tamamlayarak Vertex Pharmaceuticals Fellow’da araştırma ve geliştirme üzerine çalışmaktadır.
Kaliforniya Üniversitesi, San Diego Biyomühendislik Bölümü’nde profesör olarak görev yapan ve PNAS’ın baş yazarlarından Jeff Hasty, “Ağır metaller üzerine yoğunlaşma fırsatı bulduğumda sentetik biyoloji alanına odaklanan araştırmacılar ve şirketler için teknoloji adına oldukça heyecanlandım” dedi. “Karışık sinyallere cevap veren genlerin keşfi için uygun ortam hazırlayan bu teknoloji çevresel ve tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır.”
Bir tarama aracı olarak kullanılan platformun benzersiz mikroakışkanlar ve yapay zeka ile kombinasyonu, hücrelerin değişen ortamları yorumlamasına ve tepki vermesine olanak tanıyan mekanizmalara ışık tutmaya yardımcı olabilir ve çevre ile etkileşime girecek olan sentetik türlerin yeni yollarla test edilmesinin önünü açabilir. Mevcut tarama teknikleri hem geçici yüzeye hem de düşük verime sahiptir. Bu nedenle platform, bir hücrede meydana gelen tüm reaksiyonların kapsamlı modellerini oluşturan sistem biyologları ve canlılarda yeni fonksiyonlar tasarlayan ve uygulayan biyologlar için oldukça önemlidir.
Thouvenin olaya biraz da felsefi bakış açısıyla yaklaşıyor. “Çevremizdeki canlılar biçimlendirilebilir ve milyonlarca yıl boyunca evrim sayesinde değişmiş ve şekillendirilmişlerdir. Ve şimdi bunu anlamak, yeniden üretmek ve değişen bir dünyaya uyarlamak için erişimimiz var” diyor.
Kaynak: phys.org
