1. The document describes work to enhance genetically engineered E. coli bioreporters for detecting buried landmines through their trace chemical signatures. Directed evolution was used to generate variants with improved sensitivity to 2,4-dinitrotoluene (2,4-DNT), a compound found in the vapor of TNT-based landmines.
2. Colonies were screened and the most sensitive variants to 2,4-DNT were isolated based on increased luminescence. The best variants showed a lower detection threshold of 2,4-DNT compared to the original strain.
3. For potential field use, a fluorescent reporter was developed with a simpler detection system and lower background noise than the
FT-IR spectroscopy Instrumentation and Application, By- Anubhav singh, M.pharm
Enhancing genetically engineered Escherichia coli
1. Enhancing genetically engineered
Escherichia coli bioreporters for
the detection of buried TNT-based
landmines
Eden Amiel
Supervised by: Dr. Sharon Yagur-Kroll & Prof. Shimshon Belkin
The Department of Plant and Environmental Sciences
The Institute of Life Sciences
2. This Lecture:
• 1. Introduction
• Project overview and objectives
• Landmines- background
• Implications of landmines
• Explosives trace signatures and detection techniques
• Biosensors
• Remote detection of buried landmines
• 2. Methods
• Directed Evolution
• Random Mutagenesis
• Cloning + Ligation
• Transformation
• Screening + Isolation
• 3. Results
• 4. Conclusions
• 5. Further Research
3. Project Overview
• Interdisciplinary R&D of a highly sensitive detection system
capable of covering large areas of land for the
remote detection of buried TNT-based landmines.
4. • ‘munitions placed under, or near the ground or other surface area
and designed to be exploded by the presence, or proximity of a
person or vehicle'.
Landmines - background
AT’s: pressure > 150kg
AP’s: pressure > 5kg
2,4,6-Trinitrotoluene (TNT)
-International Committee of the Red Cross, 1996
5. Implications of landmines
• Impacts on civilians safety:
1. Landmines remain dangerous after the conflict in which they were
deployed has ended, killing and injuring civilians
2. 20,000 injuries/deaths worldwide each year
3. Over half a million victims suffering from injuries caused by mines
• Impacts on the whole ecological system:
1. Access denial
2. Loss of biodiversity
3. Chemical contamination
4. Loss of productivity in arable lands
These make landmines a global problem; but despite efforts towards
landmine eradication, mines clearance remains a challenge.
1 Mine = 3$-30$ to produce, 300$-1000$ to find and clear
6.
7. Explosives trace signatures
• Approximately 80% of all landmines are TNT-based
• These contain manufacturing impurities and degradation products
• Leakage occurs through cracks in the mine casing and vapors
diffuse through the plastic housing of the mine.
• The 3 most important vapors include:
(1) 2,4,6-TNT (2) 2,4-DNT (3) 1,3-DNB
TNT-based landmine
TNT
2,4 DNT
1,3 DNB
Surface
Gas phase
Solid phase
Underground
water
Liquid phase
Why 2,4-DNT sensor?
1. Present in the vapor phase
2. Environmentally more stable
3. Easier to work with
8. The main detection techniques
1. Metal detector
2. Chemical detection
3. Biological detection
• Dogs
• Rats
• Bees
• Plants
• Bacteria
10. Landmines and explosives biosensors
Optical
system +
detector
Immobilized sensor bacteria on soil
Beam expander
Chopper
Shutter
Laser
Mobile optical system detector
13. Detection limits
Improvement of the sensitivity is required in order to consider
this method as applicable
היום גילוי טווח
רצוי גילוי טווח
15. Directed evolution
• Based on Darwinian evolution – in Nature: the survival of the fittest.
• In the lab: we generate genetic diversity in the gene of interest and
perform a powerful screening or selection assay to isolate improved
protein variants.
• Insertion of random mutations along the gene of interest (yqjF)
using non optimal PCR conditions (Error prone PCR)
• No prior knowledge of structure or function is required.
How do wegenerate genetic diversity?
16. The process
yqjF cloned up-stream
to the luxCDABE genes
1. Construct a library of
variants by error-prone PCR
2. Insert fragments into an
expression vector
3. Transform into bacteria host
4. Screen colonies with 2,4-DNT
5. Isolate improved performances
yqjF promoter
yqjF gene
KpnI SacI
KpnI SacI לעמידות גן
לאנטיביוטיקה
הכנסת
פרומוטרKpnI
SacI
2
3
4
5
DH5α E.coli
17. Screen colonies with 2,4-DNT
- DNT + DNT
Divide culture into 2 plates
Grow
bacteria
over-night
Incubation, 37°C
OD & RLU measures every 20 min
19. Dose-dependent screening
Choosing colonies
with the best results
No DNT + DNT
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A 100 50 25 0 100 50 25 0 100 50 25 0
B
C
D
E
F
G
H
Picking the colonies that
showed best results
Performing a dose
dependent experiment
to a select few
25. Transfer to a system suitable
for field measuring
• Luminescence: Using luxCDABE genes,
stronger responses, simpler to use,
less background noise.
• Fluorescence: Using GFP gene, a more
specific response suitable for the field
detection system
DNT-sensing element GFP-reporting elementluxCDABE-reporting element
34. Conclusions
• A10 + C5 have both high Ratio and high Delta
whereas FB2A1#14 has high Delta but low Ratio and
FB2A1 has high Ratio but low Delta
• Some specific mutations lower the performance of
the system but might increase performance when
combined with other mutations.
35. Further Research
• Performing RM to a specific area in the promoter,
such as the -35 domain
• Searching for TF binding sites and planning
mutations accordingly
• Applying different approaches to further lower the
detection threshold
36. • Using mutant strains of several membrane proteins as hosts
for the genetic fusion
• Increasing the influx levels of the substance through the
fusion of the membrane protein OmpF porin gene to an IPTG-
inducible lacZ gene promoter.
Different approaches to lower the
detection threshold
Δ
2,4-DNT
37. • Increasing the influx levels of the substance through the
fusion of the membrane protein OmpF porin gene to an IPTG-
inducible lacZ gene promoter.
Different approaches to lower the
detection threshold
2,4-DNT
ompF
OmpF porin
38. Thanks
• Prof. Shimshon Belkin
• Dr. Sharon Yagur-Kroll
• Lab Team:
• Dr. Rachel Rosen
• Dr. Tal Elad
• Dr. Keren Harel-Dasa
• Omri Finkel
• Neta Bachar
• Bini Shemer
• Noa Palevski
• Adi Fainshtain
• Yaara Moskovitz
Editor's Notes
מוקשים משמשים בכדי לפגוע בתנועת כוחות צבאיים בשטח. הם מכוונים בכדי להתפוצץ כאשר דורכים או נוסעים מעליהם.
מספר רב של מוקשים תת קרקעיים מבוססים על חומר הנפץ TNT
סכנות ממוקשים נובעות בעיקר מסכנת פיצוץ בשטח אשר אינו שטח מלחמה כיום, וגם מהזיהום הנפלט מהם ומהמפעלים בהם יוצרו.
-מספר מחקרים מצביעים על כך כי מוקשים מזהמים את הקרקע ואת מקורות המים שסביבם בשלל חומרים רעילים ומסרטנים
-עקב המצאות מוקשים בשטחים אשר היו יכולים לשמש לתעשייה חקלאית, שטחים אלו לא זמינים דבר אשר מוביל לקשיים כלכליים ואיבוד מקורות מזון.
כיום מעריכים כי ישנם 110 מיליון מוקשים מפוזרים ב-70 מדינות שונות.
כאשר בישראל כיום טמונים יותר ממיליון מוקשים – יש מקורות שלפיהם מעל 196 דונם (???).
לפי הערכות שונות אפילו אם אין יותר הטמנה של מוקשים, המחיר של פינוי מוקשים בטכנולוגיות הקיימות כיום עלותו הינה כ-30 ביליון דולרים ומאות שנות עבודה
מכל המוקשים דולפות כמויות קטנות של חומרים נדיפים.
חומרים נדיפים אלו מצטברים באדמה ומעל מוקשים מוטמנים, ועל כן הם משמשים כסמנים פוטנציאלים לנוכחותם.
Why 2,4-DNT sensor?
Present in the vapor phase
Environmentally more stable than 1,3-DNB
Easier to work with
Nanofibers
Thales cress is inherently sensitive to nitrogen dioxide, a chemical byproduct of land mines.
GM so that its leaves would turn from their natural green to bright red in the presence of explosives
ניתן להנדס גנטית חיידקים כך שהם יחושו את הנוכחות של כמעט כל כימיקל, כולל חומרי נפץ, הן בפאזה מסיסה והן בפאזה גזית.
ניתן להנדס את החיידקים כך שהם יפלטו סיגנל אופטי מתאים בנוכחות תרכובת כימית מסוימת.
חיידקים מהונדסים גנטית כך שהם מגיבים ל-DNT יהוו את החיישנים.
ניתן לחוש בסיגנל מסוג זה מאתרים רחוקים, ובכך לספק את האפשרות למפות את האתרים בהם מצויים מוקשים.
פיזור מעל שטחי המטרה חיישנים מזעריים, המותאמים באופן מיוחד בכדי להגיב בנוכחות ריכוזים נמוכים ביותר של גזי DNT על ידי יצירת סיגנל אופטי.
סריקה אופטית מרחוק של השטח הנבדק, תאפשר איתור אזורים בהם יש פלט אופטי מוגבר, דבר זה יעיד על כך שבאזור עשוי להיות מוקש.
יצירת ספריית ווריאנטים על ידי PCR מועד לטעויות
החדרת מקטעי ה-PCR לתוך וקטור ביטוי-הפרומוטור (yqjF) מצומד לגן מדווח (ביולומינסנטי)
טרנספורמציה של הפלסימדים לתוך תאי E. coli מתאים לטרנספורמציה כי אין לו RecA
סריקת המושבות כנגד 2,4-DNT
בידוד פרומוטורים משופרים
לשם בחירת הווריאנטים אשר הגיבו בצורה הטובה ביותר בסבב השלישי פותח אלגוריתם ממוחשב אשר סרק את המידע שהתקבל ממדידת העכירות (O.D) וממדידת עוצמת הלומיניסנציה ובחר את הווריאנטים שהגיבו בצורה הטובה ביותר.
נכתב script ב-matlab עם הרעיון הבא: (ואז לפרט)
בחירת המושבות אשר הגיבו
הרמת המושבות אשר הגיבו
ביצוע ניסוי תלוי ריכוז לבדיקת תגובת המוטנט