Нещо ново: Биолози създадоха невидими QR кодове от живи клетки

Учените се научиха да скриват невидими съобщения в бактериите.

За бактериите обикновено не се мисли като за надеждни носители на информация – те се делят, движат, умират и реагират непредсказуемо на околната среда. Изглежда, че това е точно обратното на това, което е необходимо за стабилното съхранение на данните. Изследователите обаче са открили начин да превърнат тези „недостатъци“ в предимство: живите кодове, които се променят с времето или се проявяват само под въздействието на определени биохимични сигнали, осигуряват ниво на защита, недостъпно за конвенционалните материали.

Идеята за използване на бактерии за криптография се обсъжда отдавна, но практическите приложения досега бяха рядкост. Повечето ранни опити изискваха генетично модифицирани бактерии с видими сигнали, което ограничаваше технологията до специално разработени щамове.

В новото изследване, публикувано в списание Advanced Functional Materials, учените преодоляват тези ограничения, като създават платформа за многостепенно кодиране. Те са разработили фотодинамичен подход, използвайки специални наночастици, които убиват бактериите, когато са изложени на светлина, оставяйки неизложените бактерии живи. Това позволява формирането на изключително прецизни модели, които реагират на биохимичните сигнали, съобщава Nanowerk.

Бактериалните модели остават скрити, докато подходящият химически спусък не ги разкрие. Системата използва фотодинамична наночастица, съставена от четири компонента: MeO-TSP – активирана от светлината молекула, която убива клетките; смес от лауринова и стеаринова киселина за засилване на ефекта; и два полимера – поливинилов алкохол и поли(алиламин хидрохлорид), които образуват защитна обвивка около частицата.

Мастно-киселинната матрица групира светлинно активираните молекули, засилвайки производството на реактивни кислородни видове под въздействието на бялата светлина. Моделирането показа, че подобно групиране усуква молекулите, за да осигури ефективни квантови преходи, необходими за генерирането на тези съединения. Положително заредената полимерна обвивка привлича отрицателно заредените бактерии, като доближава наночастиците толкова близо до мембраните, че реактивните кислородни видове ефективно ги увреждат.

За да създадат прецизни бактериални модели, изследователите нанасят покрити с наночастици бактерии върху мембрани, изработени от смесени целулозни етери, и ги облъчват със светлина през фотомаска. Бактериите в осветените зони биват убити от реактивните кислородни видове, докато тези в засенчените зони оцеляват. Резултатът е живи модели, които съвпадат с дизайна на маската, с разделителна способност от 15,99 микрометра – по-добра от повечето предишни методи. За разлика от традиционния агар, тези мембрани позволяват пренасяне на биофилми между хранителните среди, без да се разрушава моделът.

Силата на системата се крие в разликите в бактериалния метаболизъм. Всеки вид има уникални ензими и биохимични пътища, които реагират на специфични хромогенни субстрати и показват скрити модели. Например MRSA превръща телурита в черни колонии, докато E. coli обработва X-Gal с β-галактозидаза, за да образува сини отлагания. Живите бактерии се оцветяват в синьо с багрилото Hoechst 33342, докато мъртвите бактерии флуоресцират в червено с пропидиев йодид.

Тези реакции са дали възможност за създаване на сложни кодове – едноизмерни модели на морзовата азбука и двуизмерни QR кодове. Някои кодове показват фалшива информация под една подложка, но разкриват истинското съобщение под друга. Екипът дори е разработил QR кодове под формата на пъзели, които изискват сглобяване и биохимично активиране, за да бъдат декодирани.

По този начин тези учените са пионери в областта на фотодинамичното бактериално кодиране, което използва пространствен контрол и метаболизъм за създаване на жива система за сигурно съхранение на информация и борба с фалшифицирането. За демонстрация са използвани MRSA и E. coli, но те могат да бъдат заменени с безопасни лабораторни щамове.