Em breve, avaliar a saúde do solo pode ser tão simples como “perguntar” às bactérias que vivem nele. A resposta viria sob a forma de um brilho em diferentes cores - e um drone, ou até um satélite, poderia captar esses sinais para indicar se há nutrientes em falta ou contaminantes a espalharem-se.
Como são relativamente fáceis de modificar para produzir moléculas quando certas condições são cumpridas, as bactérias já são muito usadas como sensores. O problema é que, na prática, confirmar a resposta costuma exigir um microscópio e algum tempo.
Isso pode estar prestes a mudar: investigadores do MIT desenharam um sistema em que as bactérias emitem luz em determinados comprimentos de onda quando detetam um alvo - algo que pode ser registado com fotografias de drone e cerca de 30 segundos de espera.
O sistema parece suficientemente flexível para detetar praticamente qualquer molécula, químico ou bactéria, seja benéfica ou nociva. Com a combinação de duas bactérias diferentes, os campos poderiam, por exemplo, “acender” a vermelho quando surgem poluentes e a verde quando os nutrientes estão elevados.
"So, it might respond to metals or radiation or toxins in the soil, or nutrients in the soil, or whatever it is you want it to respond to," says Christopher Voigt, biological engineer at MIT.
"Then the output of that would be the production of this molecule that can then be sensed from far away."
A equipa usou câmaras especiais montadas em drones ou em edifícios para analisar amostras de solo patrulhadas por bactérias geneticamente modificadas. As amostras com o alvo ficaram nitidamente visíveis, emitindo um sinal até 12 vezes mais forte do que as amostras de controlo, a distâncias de até 90 metros (295 feet).
Esse brilho não seria visível a olho nu - o sistema funciona com câmaras hiperespectrais. Estes equipamentos conseguem detetar centenas de comprimentos de onda da luz visível e do infravermelho e analisar quanto de cada um aparece em cada pixel da imagem. Assim, captam alterações de cor minúsculas que passariam despercebidas a outros instrumentos, quanto mais ao olho humano.
A equipa programou bactérias para produzir moléculas “repórter” que podem ser detetadas por estas câmaras hiperespectrais. Para começar, fizeram simulações de mecânica quântica de 20.170 metabolitos, à procura dos candidatos mais adequados.
"The best hyperspectral reporters (HSRs) are those whose spectra are the most unique and require the smallest number of enzymes to produce," the authors write in their paper describing the work.
No fim, ficaram com dois candidatos promissores: um pigmento chamado biliverdina, que pode dar aos hematomas um tom esverdeado, e uma bacterioclorofila, usada por micróbios na fotossíntese. As enzimas para criar biliverdina foram introduzidas numa bactéria do solo chamada Pseudomonas putida, enquanto um micróbio aquático, Rubrivivax gelatinosus, passou a conseguir produzir bacterioclorofila.
Estas “saídas” foram ligadas a circuitos sensores nos genomas das bactérias - neste caso, para detetar outras bactérias nas proximidades. Mas, em essência, o gatilho pode ser quase qualquer coisa, incluindo químicos presentes em solos contaminados.
"The nice thing about this technology is that you can plug and play whichever sensor you want," says Yonatan Chemla, environmental microbiome engineer at MIT. "There is no reason that any sensor would not be compatible with this technology."
Para testar a ideia, a equipa colocou amostras de solo ou areia em caixas abertas ao ar, e algumas continham discos do alvo enterrados. Câmaras hiperespectrais instaladas em drones ou em telhados conseguiam recolher imagens que cobriam centenas ou milhares de metros quadrados em menos de 30 segundos.
E, como esperado, as caixas com os alvos brilhavam de forma intensa, em contraste evidente com as amostras de controlo.
Os investigadores divulgam financiamento do Departamento de Defesa dos EUA e do Ministério da Defesa de Israel.
"We've been very busy in the past three years working to understand what are the regulatory landscapes and what are the safety concerns, what are the risks, what are the benefits of this kind of technology?" Chemla says.
Embora a segurança e a regulamentação destes sistemas ainda tenham de ser definidas, a equipa afirma que o método mostra potencial para monitorização ambiental contínua.
"Microbial sentinels have advantages as in-field sensors. They can be spread over wide areas and respond to unique signals and are persistent without the need for electrical power," the authors write.
"Further, HSRs can be imaged during the daytime under ambient conditions and identified in spectrally complex environments, including open ground, greenery, and urban structures."
A investigação foi publicada na revista Nature Biotechnology.
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