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Ein sicherer und einfacher Arsendetektor
Forscher der University of Edinburgh in Schottland haben die Bakterien genetisch verändert E coli um Spuren von Arsen im Trinkwasser nachzuweisen. Sie hoffen, dass die bakterienbasierte Technologie schließlich zu sicheren, präzisen und einfach zu handhabenden Arsen-Testkits führen wird. Chris French, Professor für mikrobielle Biotechnologie in Edinburgh, sagt, dass solche Tests so einfach zu verwenden sein könnten wie Schwangerschaftstests zu Hause und keinen geschulten Techniker erfordern würden.
Ein Studententeam der University of Edinburgh hat Bakterien gentechnisch verändert, um Arsen in Wasser nachzuweisen. In Kombination mit einem Tropfen pH-Indikator (ganz rechts) verfärben sich die Proben in Gegenwart von Arsen rot (Mitte) und in Abwesenheit gelb.
Eine Arsenvergiftung betrifft weltweit Millionen von Menschen. Eines der am stärksten betroffenen Länder ist Bangladesch, wo nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation bis zu 35 Millionen Menschen ihr Trinkwasser aus arsenverseuchten Brunnen beziehen. In den letzten Jahren wurden konzertierte Anstrengungen unternommen, um die Verteilung von Arsen- und Flag-verseuchten Brunnen zu kartieren. In einigen Fällen haben Wissenschaftler und Helfer Wasserproben geschickt, um sie mit Fluoreszenztechniken in Laboren zu testen – ein teurer und zeitaufwändiger Prozess. In anderen Fällen haben sie tragbare Testkits verwendet. Die meisten dieser Feldtests erfordern jedoch eine Schulung zum Betrieb und zur Herstellung giftiger Chemikalien, wie z. B. Arsengas.
Es gibt definitiv einige Nachteile bestehender Feldkits, und einer ist die giftige Entsorgung, sagt Gregory Miller, ein Arsen-Geochemiker bei Subsurface Technologies, einem Unternehmen für Umweltsanierung in Socorro, NM. Ein idealer Detektor sollte eine niedrige Nachweisgrenze, eine hohe Präzision und keinen damit verbundenen Abfallstrom aufweisen.
Der in Edinburgh entwickelte Arsendetektor ist eines der ersten praktischen Beispiele für ein Gerät, das nach den Prinzipien der synthetischen Biologie gebaut wurde. Ziel der Synthetischen Biologie ist es, zunächst die genaue Funktion bestimmter DNA-Sequenzen oder genetischer Teile zu identifizieren. Einige Teile können bestimmte Proteine kontrollieren. Andere können als Schalter für zelluläre Prozesse fungieren. Dann mischen und kombinieren die Forscher, um zu sehen, wie verschiedene Teile zusammenpassen, um neue genetische Schaltkreise zu bilden, die neue biologische Funktionen in lebenden Organismen wie Bakterien schaffen.
Drew Endy, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen am MIT, vergleicht die synthetische Biologie mit dem Bauen mit Lego. Er hat dazu beigetragen, ein Register von genetischen Standardteilen als Quelle für Wissenschaftler zu erstellen, auf die sie aufbauen und ergänzen können. Endy ist auch Mitbegründer von iGEM, dem jährlichen International Genetically Engineered Machine Competition, bei dem der bakterienbasierte Arsen-Biosensor in Edinburgh 2006 den Preis als beste reale Anwendung gewann.
Die Edinburgher Gruppe fand heraus, dass das Bakterium E coli besitzt zwei scheinbar nicht verwandte genetische Sequenzen, die in Kombination ein wirksames Gerät zum Nachweis von Arsen bilden. Zuerst, E coli besitzt ein natürliches Arsen-Entgiftungssystem, das nur in Gegenwart von Arsen eingeschaltet wird. Das Bakterium baut auch Laktose auf natürliche Weise ab, um Säure zu produzieren. Die Forscher isolierten das Arsen-Schalter-Gen und befestigten es an das erste Gen, das am Abbau von Laktose beteiligt ist.
Sie stellten die Hypothese auf, dass, wenn Arsen mit diesem modifizierten E coli , aktiviert es den Arsenschalter, dessen Gen wiederum den Abbau von Milchsäure aktiviert. French sagt, dass ein einfacher Farblackmustest dann die resultierende Änderung des pH-Werts feststellen kann, was auch das Vorhandensein von Arsen anzeigt. Es funktioniert unter Laborbedingungen, aber wir haben es nicht mit echten Wasserproben getestet, sagt er.
Bisher hat das Team mit relativ sauberen laborkontrollierten Lösungen aus Wasser und anorganischem Arsen, gemischt mit modifiziertem E coli und ein pH-Indikator in einem verschlossenen Glasröhrchen. Nach einiger Zeit verfärbt sich das Wasser rot oder gelb, je nach An- oder Abwesenheit von Arsen. Ein potenzieller Nachteil ist die Verzögerungszeit des Tests: Es dauert etwa fünf Stunden, bis die biologischen Wechselwirkungen abgeschlossen sind.
Letztendlich hofft die Gruppe, ein billiges und einfaches Kit aus Pulver – gefriergetrockneten Bakterien und pH-Indikator – in einem Einweg-Kunststoffröhrchen mit Schraubverschluss zu entwickeln. In naher Zukunft könnte die französische Gruppe ihr Design an tatsächlichen Wasserproben aus Bangladesch testen, die andere biologische und chemische Materialien enthalten. Vorerst haben die Forscher ihr Gerät in das Bio-Bricks-Register von Endy für andere Wissenschaftler aufgenommen, die möglicherweise einen besseren Arsen-Biosensor bauen möchten.