全細(xì)胞細(xì)菌生物傳感器示例。圖片來源：美國微生物學(xué)會(huì)

科技日?qǐng)?bào)記者?劉霞

美國微生物學(xué)會(huì)指出，科學(xué)家可以對(duì)微生物做一些巧妙的事情，例如改造細(xì)菌的細(xì)胞，使其能夠感知特定化合物的存在并發(fā)出特定信息，采用如此方法得到的全細(xì)胞生物傳感器可在環(huán)境和醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域“大展拳腳”。

讓細(xì)菌“說”出其所見所感

全細(xì)胞生物傳感器是合成生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，其以微生物細(xì)胞作為敏感元件，將收集到的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可讀信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)以及疾病診斷等領(lǐng)域。

英國萊斯大學(xué)生物科學(xué)教授卡洛琳·阿喬·富蘭克林博士的合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)此類微生物傳感器。她解釋稱，為了生存，細(xì)菌需要知道周圍發(fā)生了什么。細(xì)菌身上攜帶很多傳感器，這些傳感器不僅能感知周遭環(huán)境，還會(huì)指導(dǎo)細(xì)菌做一些事情。科學(xué)家希望利用細(xì)菌的這些自然反應(yīng)，讓細(xì)菌告訴人們它們的所見所感。

盡管有無數(shù)種方法可以制造全細(xì)胞生物傳感器，但基本原理大同小異：利用基因工程方法，對(duì)細(xì)菌細(xì)胞編程，使其能識(shí)別特定分子并產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)。全細(xì)胞生物傳感器通常被設(shè)計(jì)為只有當(dāng)其目標(biāo)分子存在時(shí)才能工作，這種調(diào)諧特異性和靈敏度的能力使微生物傳感器成為有前途的分析工具。

在環(huán)境和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮作用

在環(huán)境方面，全細(xì)胞生物傳感器可以洞察土壤中的營養(yǎng)水平和有機(jī)化合物，為作物生長提供信息，還可以指示潛在問題化合物的存在和濃度。

例如，卡洛琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)與萊斯大學(xué)科學(xué)家合作開發(fā)了一種可以檢測(cè)硫代硫酸鹽的生物傳感器。硫代硫酸鹽可以用作飲用水和廢水的脫氯劑、殺菌劑 ,但其過量可能導(dǎo)致藻類大量繁殖。大多數(shù)生物傳感器都依賴于報(bào)告基因的轉(zhuǎn)錄來產(chǎn)生信號(hào)，這需要長達(dá)30分鐘的時(shí)間以及大量細(xì)胞能量。為優(yōu)化這一過程，團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)合成電子傳輸鏈。來自硫代硫酸鹽的電子穿過這個(gè)合成鏈，撞擊電極，在一分鐘或更短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電流。

卡洛琳指出，有了這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家有機(jī)會(huì)對(duì)環(huán)境毒素的意外釋放作出快速反應(yīng)，從而減輕生態(tài)影響。

除對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)和有毒化合物作出反應(yīng)外，微生物傳感器還可以對(duì)其他細(xì)菌作出反應(yīng)，從而探測(cè)到致病微生物的信號(hào)，以幫助診斷感染。今年8月10日，《科學(xué)》雜志刊登了一項(xiàng)引人注目的研究：美國加州大學(xué)圣迭戈分?？茖W(xué)家通過對(duì)貝氏不動(dòng)桿菌進(jìn)行巧妙改造，讓基因工程菌能夠發(fā)掘癌癥細(xì)胞的存在。據(jù)了解，這是全球首次通過基因工程菌檢測(cè)到癌細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)研究。

盡管這項(xiàng)技術(shù)仍需進(jìn)一步研究和完善，但研究者堅(jiān)信，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于癌癥檢測(cè)，還能用于其他感染性疾病的診斷，為醫(yī)學(xué)的未來鋪就了嶄新的道路。

此外，科學(xué)家們還創(chuàng)造了可攝入人體內(nèi)的微生物傳感器，其可以檢測(cè)腸道中的出血或炎癥生物標(biāo)志物，以監(jiān)測(cè)腸道健康，而且這些內(nèi)部微生物設(shè)備發(fā)出的信號(hào)可以傳輸?shù)绞謾C(jī)等外部設(shè)備，以便于數(shù)據(jù)收集和分析。

安全使用是關(guān)鍵

人們現(xiàn)在已經(jīng)擁有用于監(jiān)測(cè)土壤或診斷疾病等任務(wù)的工具和技術(shù)，為什么要使用微生物傳感器呢？卡洛琳指出，當(dāng)涉及到化學(xué)特異性時(shí)，微生物傳感器能大放異彩。

此外，微生物傳感器也可以部署在環(huán)境中，而不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成物理破壞（如改變土壤的景觀）。另一個(gè)好處是，微生物傳感器的制備和儲(chǔ)存相對(duì)便宜，因此在資源匱乏傳統(tǒng)傳感器無法獲得的地區(qū)，比如地球上的偏遠(yuǎn)地區(qū)或在其他星球上，它們都能夠“挺身而出”。

卡洛琳表示，隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，微生物傳感器有望成為常見的分析和檢測(cè)工具，但其還有幾個(gè)問題需要解決。

首先，微生物設(shè)備不能也不應(yīng)該在沒有限制的情況下釋放到環(huán)境中。卡洛琳強(qiáng)調(diào)，應(yīng)在物理上（如將微生物限制在某種膠囊或基質(zhì)中）和生物化學(xué)上（如果它們以某種方式逃脫了物理約束，將不再復(fù)制或具有代謝活性）控制微生物。此外，研究人員還需要與公眾和政策制定者接觸，以了解和解決圍繞微生物傳感器的產(chǎn)生和部署的問題。

卡洛琳強(qiáng)調(diào)稱，理想情況下，未來的微生物傳感器不僅能感知，還能作出反應(yīng)，也就是說，其不僅可以檢測(cè)污染物的存在，還可以降解污染物。畢竟，這是細(xì)菌的自然行為：它們感知威脅并應(yīng)對(duì)它。