Geneticky upravené bakterie jako biosenzory arsenu

13.7.2026 | Nikola Hartmann

Arsen je toxický prvek, který se přirozeně vyskytuje v horninách, půdě i podzemní vodě. V některých oblastech světa se však může dostávat do pitné vody nebo potravin v množství, které představuje závažné zdravotní riziko. Dlouhodobá expozice anorganickému arsenu je spojována například s vyšším rizikem některých nádorových onemocnění, kožních lézí, kardiovaskulárních onemocnění nebo negativního vlivu na vývoj dětí.

Jedním z problematických prostředí jsou zaplavená rýžová pole. V půdě bez přístupu kyslíku, tedy v anoxických podmínkách, mohou mikrobiální procesy přispívat k uvolňování arsenu do mobilnější formy zvané arsenit. Ten je vysoce toxický a živé organismy jej mohou snáze přijímat. Právě proto je sledování arsenu důležité nejen v pitné vodě, ale i v prostředích, jako jsou zaplavené půdy, sedimenty nebo podzemní vody.

Měření v takových podmínkách ale není jednoduché. Řada biosenzorů využívá fluorescenční signál, který se obtížně vyhodnocuje bez přístupu kyslíku, nebo vyžaduje specializované vybavení. Vědci z Cornellovy univerzity se proto zaměřili na vývoj systému, který by expozici arsenitu dokázal nejprve zaznamenat a teprve později přečíst v běžnějších laboratorních podmínkách.

Vyvinuli geneticky upravenou bakterii Escherichia coli, která funguje jako tzv. whole-cell biosenzor, tedy senzor tvořený celou živou buňkou. Nejde však o běžný test, který pouze okamžitě ukáže přítomnost sledované látky. Tato bakterie dokáže kontakt s arsenitem zaznamenat jako změnu ve své DNA. Informace o expozici tak zůstává uchovaná i poté, co už bakterie není arsenitu přímo vystavena.

Základem systému je enzym Cre rekombináza. Pokud se bakterie setká s arsenitem, aktivuje se genetický obvod, který spustí cílenou změnu mezi specifickými úseky DNA označovanými jako loxP. Tato změna následně umožní vznik fluorescenčního signálu, který lze později vyhodnotit například pomocí průtokové cytometrie. Jinými slovy, bakterie si kontakt s arsenitem „zapíše“ do DNA a vědci mohou tento záznam přečíst až později.

To je důležité zejména v prostředích, kde se koncentrace toxických látek může měnit v čase a kde není praktické měřit signál nepřetržitě. Ve studii biosenzor rozlišil nízké koncentrace arsenitu v nanomolárním rozmezí za přístupu kyslíku a zároveň dokázal zaznamenat expozici arsenitu i v anoxických podmínkách. Po přenesení bakterií zpět do prostředí s kyslíkem bylo možné signál přečíst dodatečně.

Zatím jde především o důkaz principu, nikoli o technologii připravenou k okamžitému použití v terénu. Autoři sami upozorňují, že použitý laboratorní kmen E. coli není vhodný pro přímé nasazení v reálném prostředí a systém by vyžadoval další optimalizaci. Studie ale ukazuje zajímavý směr environmentální biotechnologie: geneticky upravené mikroorganismy by v budoucnu mohly sloužit jako citlivé biosenzory, které zaznamenají expozici toxickým látkám i tam, kde je klasické měření obtížné.

Zdroje:

  • Garabello E, Yoon H, Reid MC, Giometto A. Tunable low-rate genomic recombination with Cre-lox in Escherichia coli: a versatile tool for anoxic environmental biosensing and synthetic biology. Applied and Environmental Microbiology. 2026;92(4). doi:10.1128/aem.01768-25
  • https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/arsenic
  • Guo Y, Liu M-Q, Yang X-Q, Guo Y-Y, Hui C-Y. Optimized genetic circuitry and reporters for sensitive whole-cell arsenic biosensors: advancing environmental monitoring. Applied and Environmental Microbiology. 2025;91(8). doi:10.1128/aem.00601-25
  • Stocker J, Balluch D, Gsell M, Harms H, Feliciano J, Daunert S, Malik KA, van der Meer JR. Development of a set of simple bacterial biosensors for quantitative and rapid measurements of arsenite and arsenate in potable water. Environmental Science & Technology. 2003;37(20):4743-4750. doi:10.1021/es034258b