Bacterias de diseño emiten señales detectables a gran distancia

Científicos del MIT han diseñado bacterias que emiten señales visibles a distancia mediante cámaras hiperespectrales. Esta innovadora tecnología podría revolucionar la detección remota en agricultura, medioambiente y seguridad.

Por Anne Trafton / MIT News

Ingenieros del MIT han diseñado bacterias capaces de producir señales hiperespectrales que pueden ser detectadas hasta a 90 metros de distancia. Su trabajo podría llevar al desarrollo de sensores bacterianos para la agricultura, como monitorizar la salud de los cultivos, por ejemplo. Cortesía: Jose-Luis Olivares / MIT / iStock

Las bacterias pueden diseñarse para detectar diversas moléculas, como contaminantes y nutrientes del suelo. En la mayoría de los casos, sin embargo, estas señales sólo pueden detectarse observando las células al microscopio, lo que las hace poco prácticas para su uso a gran escala.

Mediante un nuevo método que hace que las células produzcan moléculas que generan combinaciones únicas de colores, los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts, en Estados Unidos, han demostrado que pueden leer estas señales bacterianas a una distancia de hasta 90 metros.

Su trabajo podría conducir al desarrollo de sensores bacterianos para diferentes aplicaciones agrícolas y de otro tipo, que podrían ser controlados por drones y satélites.

Bacterias que «emiten» en visible e infrarrojo

«Es una nueva forma de obtener información de la célula. Si estás junto a ella, no puedes ver nada a simple vista, pero a cientos de metros de distancia, utilizando cámaras específicas, puedes obtener la información cuando se enciende», afirma Christopher Voigt, director del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT y autor principal del nuevo estudio.

En un artículo publicado en la revista Nature Biotechnology, los investigadores demuestran que pueden diseñar dos tipos distintos de bacterias para que produzcan moléculas que emitan longitudes de onda distintas en los espectros visible e infrarrojo de la luz, que pueden captarse con cámaras hiperespectrales.

Estas moléculas informadoras se vincularon a circuitos genéticos que detectan bacterias cercanas, pero este método también podría combinarse con cualquier sensor existente, como los de arsénico u otros contaminantes, afirman los investigadores.

Chivatos a larga distancia

«Lo bueno de esta tecnología es que se puede conectar cualquier sensor que se desee —afirma Yonatan Chemla, investigador del MIT y uno de los autores principales del artículo. Y añade—: No hay ninguna razón para que cualquier sensor no sea compatible con esta tecnología».

Hay muchas formas de diseñar células bacterianas para que puedan detectar una sustancia química determinada. La mayoría funcionan conectando la detección de una molécula a una salida, como la proteína verde fluorescente (GFP), que brilla con luz verde bajo luz ultravioleta y se usa como marcador biológico para visualizar procesos celulares en tiempo real. Estos chivatos químicos funcionan bien en estudios de laboratorio, pero estos sensores no se pueden medir a larga distancia.

Para la detección a larga distancia, el equipo del MIT tuvo la idea de diseñar células que produjeran lo que los biólogos denominan moléculas informadoras hiperespectrales, que pueden detectarse con la ayuda de cámaras hiperespectrales.

Cámaras usadas en Chernóbil

Estas cámaras, inventadas en la década de 1970, son capaces de determinar la cantidad de cada longitud de onda de color presente en un píxel determinado. En lugar de mostrarse simplemente como rojo o verde, cada píxel contiene información sobre cientos de longitudes de onda de luz diferentes.

Actualmente, las cámaras hiperespectrales se utilizan para aplicaciones como la detección de la presencia de radiación. Por ejemplo, en las zonas cercanas a Chernóbil, estas cámaras se han utilizado para medir los ligeros cambios de color que los metales radiactivos producen en la clorofila de las células vegetales.

Las cámaras hiperespectrales también se utilizan para buscar signos de desnutrición o de invasión de agentes patógenos en las plantas.

La firma de 20.000 moléculas celulares naturales

Ese trabajo inspiró al equipo del MIT para explorar si podían diseñar células bacterianas que produjeran reporteros hiperespectrales —moléculas especiales diseñadas para emitir señales de luz muy específicas al ser activadas— cuando detectaran una molécula diana.

Para que un reportero hiperespectral sea más útil, debe tener una firma espectral con picos en múltiples longitudes de onda de luz, lo que facilita su detección. Los investigadores realizaron cálculos cuánticos para predecir las firmas hiperespectrales de unas 20.000 moléculas celulares naturales, lo que les permitió identificar aquellas con los patrones de emisión de luz más singulares.

Otra característica clave es el número de enzimas que habría que diseñar en una célula para que produjera el reportero, un rasgo que variará según los distintos tipos de células.

«La molécula ideal es la que es realmente diferente de todas las demás, lo que la hace detectable, y requiere el menor número de enzimas para producirla en la célula», afirma Voigt.

Cultivo de Pseudomonas putida, bacteria que vive en el suelo y que ha sido utilizada por los investigadores del MIT para la detección remota de moléculas. Cortesía: Microchem Lab

Desde metales y radiaciones hasta toxinas y nutrientes del suelo

En este estudio, los investigadores identificaron dos moléculas diferentes que eran las más adecuadas para dos tipos de bacterias. Para una bacteria del suelo llamada Pseudomonas putida, utilizaron un informador llamado biliverdina, un pigmento resultante de la descomposición del grupo hemo.

Y para una bacteria acuática llamada Rubrivivax gelatinosus, utilizaron un tipo de bacterioclorofila. Para cada bacteria, los investigadores diseñaron las enzimas necesarias capaces de producir el reportero en la célula huésped y, a continuación, las vincularon a circuitos sensores diseñados genéticamente.

«Se puede añadir uno de estos reporteros a una bacteria o a cualquier célula que tenga un sensor codificado genéticamente en su genoma. Podría responder a metales, radiaciones, toxinas o nutrientes del suelo, o a lo que se quiera que responda —explica Voigt. Y añade—: El resultado sería la producción de esta molécula que puede detectarse desde lejos».

Cámaras hiperespectrales montadas en drones

En este estudio, los investigadores vincularon los informadores hiperespectrales a circuitos diseñados para la detección de quórum, que permite a las células detectar otras bacterias cercanas. También han demostrado, en trabajos posteriores al presente artículo, que estas moléculas informadoras pueden vincularse a sensores de sustancias químicas, como ocurre con el arsénico.

Al probar sus sensores, los investigadores los colocaron en cajas para que permanecieran confinados. Las cajas se colocaron en campos, desiertos y tejados de edificios, y las células produjeron señales que pudieron detectarse con cámaras hiperespectrales montadas en drones.

Las cámaras tardan entre 20 y 30 segundos en escanear el campo de visión y, a continuación, algoritmos informáticos analizan las señales para revelar si los reporteros hiperespectrales están presentes.

Una cobertura de 90 metros

En este artículo, los investigadores informan de la obtención de imágenes a una distancia máxima de 90 metros, pero ahora están trabajando para ampliar esas distancias.

Prevén que estos sensores puedan utilizarse con fines agrícolas, por ejemplo, para detectar los niveles de nitrógeno y nutrientes en el suelo. Para estas aplicaciones, los sensores también podrían diseñarse para funcionar en células vegetales. La detección de minas terrestres es otra posible aplicación de este tipo de sensores.

Antes de desplegarse, los sensores tendrían que someterse a la aprobación reglamentaria de la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos así como del Departamento de Agricultura de este país, si se utilizan para la agricultura. Voigt y Chemla han estado trabajando con ambas agencias, la comunidad científica y otras partes interesadas para determinar qué tipo de preguntas deben responderse antes de que estas tecnologías puedan ser aprobadas.

«Hemos estado muy ocupados en los últimos tres años trabajando para entender cuáles son los panoramas normativos y cuáles son las preocupaciones de seguridad, cuáles son los riesgos, cuáles son los beneficios de este tipo de tecnología», concluye Chemla. ▪️

• Artículo reproducido con la autorización de MIT News - Adaptación: Enrique Coperías

• Fuente: Chemla, Y., Levin, I., Fan, Y. et al. Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria. Nature Biotechnology (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-025-02622-y