نجح فريق بحثي في جامعة رايس في تعديل بكتيريا E. coli لتصبح مستشعرًا حيويًا متعدد القنوات (multiplexed sensor)، قادرًا على كشف واستجابة عدة سموم بيئية في الوقت نفسه، وتحويل الاستجابة البيولوجية إلى إشارات كهربائية. من المتوقع أن تُستخدم هذه التقنية في مراقبة جودة المياه، وسلامة الأماكن الصناعية، والحوسبة البيولوجية، ونُشرت النتائج في مجلة Nature Communications.

قاد البحث كل من Xu Zhang وMarimikel Charrier وCaroline Ajo-Franklin، وركّز على حل مشكلة كفاءة أجهزة الاستشعار البيوالكترونية التقليدية. حيث تتطلب الطرق التقليدية تصميم قناة مخصصة لكل مركب مستهدف، بينما يعتمد النظام الجديد على استراتيجية multiplexing، مستفيدًا من حساسية البكتيريا وخصائصها الذاتية في توليد الطاقة، مما يعزز بشكل كبير قدرة معالجة المعلومات. وقالت المؤلفة المراسلة Ajo-Franklin: «يُعد هذا النظام اختراقًا هامًا في الاستشعار البيوالكتروني، إذ يمكنه ترميز عدة إشارات في تدفق بيانات واحد، وفك ترميزها إلى قراءات واضحة بنعم أو لا».

استلهم الفريق مبدأ الاتصالات الضوئية بالألياف، باستخدام إشارات كهربائية ذات إمكانات أكسدة-اختزال (redox potentials) مختلفة لنقل المعلومات متعددة القنوات. وأشار المؤلف المشارك Zhang: «السر يكمن في فصل الإشارات ذات الطاقات المختلفة بثبات، دون تأثر بالعينة أو السم». صمموا طريقة كهروكيميائية تحول إشارات الأكسدة-اختزال إلى استجابات ثنائية (binary responses)، وهندسوا سلالات E. coli للتعرف تحديدًا على arsenite وcadmium، مما يولد إشارات كهربائية متمايزة.

في اختبارات البيئة، نجح النظام في كشف arsenite وcadmium بمستويات تتوافق مع معايير EPA. وأكدت Charrier: «المنصة تتمتع بخاصية modular، يمكن توسيعها لفحص متزامن لمزيد من السموم». كما يمكن دمجها مع تقنيات لاسلكية لتحقيق مراقبة فورية عن بُعد، في تطبيقات تشمل أنظمة إمداد المياه وخطوط الأنابيب الصناعية.

يفتح هذا البحث آفاقًا جديدة لتطوير علم البيوالكترونيات. وفي المستقبل، قد تصبح مستشعرات البكتيريا متعددة القنوات أداة أساسية في المراقبة البيئية، والتشخيص الطبي، والحوسبة البيولوجية. وأضافت Ajo-Franklin: «إمكانات الخلايا لا تقتصر على الاستشعار، بل يمكنها ترميز المعلومات، وحسابها، ونقلها».