科学家们对细菌进行改造，以产生可以在 90 米外检测到的传感器分子
快速阅读: 《基因工程和生物技术新闻》消息，MIT团队开发出一种新型细菌传感器，能远距离通过独特颜色信号检测污染物或养分。通过基因工程，细菌生成可被高光谱相机捕捉的光分子。该技术有望应用于农业、环境监测等领域，但仍需监管部门审批。
科学家能够设计细菌，让它们感知污染物或土壤养分等分子，但通常这些信号只能通过显微镜或其他实验室设备检测，这限制了它们在大规模应用中的实用性。麻省理工学院的研究团队采用了一种创新方法，这种方法可以让细菌生成独特的颜色组合，他们成功实现了从90米外读取这些细菌信号的能力。这一研究可能推动细菌传感器在农业和其他领域的应用，这些传感器可以通过无人机或卫星进行监控。
麻省理工学院生物工程系主任克里斯托弗·沃伊特博士领导的研究小组指出，他们设计了两种不同类型的细菌，使它们产生跨越可见光和红外光谱的独特波长的光分子，这些光可被高光谱相机捕捉成像。这些报告分子与检测周围细菌的遗传电路相连，但此方法也可与其他现有传感器结合使用。沃伊特进一步解释说：“这是从细胞获取信息的一种新方法。如果你站在旁边，肉眼看不到任何东西，但从数百米外，用特定的相机，你可以在它启动时获取信息。”
“这项技术的优势在于可以随意插入任何传感器，”麻省理工学院博士后约纳坦·切姆拉补充道，“没有理由认为任何传感器都无法与这项技术兼容。”沃伊特是这篇发表于《自然·生物技术》期刊论文的通讯作者，切姆拉是共同第一作者，该论文描述了他们的高光谱报告器（HSR）技术，题为“用于活体细菌基因表达的长距离和广域检测的高光谱报告器”。
在报告中，研究团队得出结论：“使用高光谱报告器可能会解锁新的生物传感和追踪应用，并促进环境信号的新监测方法，例如绘制超级基金场地的污染地图、农业土壤养分分布图或基础设施水泥中的微裂缝。”
有多种方法可以设计细菌细胞，使其能够感知特定化学物质。大多数方法的工作原理是将分子检测与输出相连接，例如绿色荧光蛋白（GFP）。这些在实验室研究中表现良好，但此类传感器无法从远处测量。“基因编码的报告器适合实验室短距离成像，但不适合从远处扫描广阔户外区域，”作者指出。
为了实现远距离传感，麻省理工学院团队提出了一种思路，即设计细胞生产高光谱报告分子，这些分子可用高光谱相机检测。这些相机最早于1970年代发明，可以确定每个像素中每种颜色波长的存在情况。每个像素不仅表现为简单的红色或绿色，而是包含数百种不同波长光的信息。“高光谱成像（HSI）相机中，每个像素均为反射光的近连续光谱，”团队补充道。“高光谱相机可扫描从微观到行星尺度，并广泛用于精准农业、环境筛选、法医学和国防领域。”
目前，高光谱相机用于检测辐射的存在等应用。在切尔诺贝利周边地区，这些相机被用于测量放射性金属在植物细胞叶绿素中引发的细微颜色变化。高光谱相机还用于寻找植物营养不良或病原体入侵的迹象。“搭载于无人驾驶飞行器（UAV）、飞机和卫星上，高光谱成像（HSI）相机被用于植物成像，以检测作物疾病迹象、墓地地面覆盖变化及切尔诺贝利附近受辐射影响的叶绿素。”
麻省理工学院团队受到启发，探索能否设计细菌细胞，在检测目标分子时产生高光谱报告器。为了让高光谱报告器更具实用性，理想情况下，整个光谱提供的信息可被提取以提升信噪比。调查人员表示：“数据库记录了数万种代谢物，但仅有不到100种记录了实测吸收光谱。”在他们近期发表的研究中，研究人员开展了量子计算，以预测约两万种天然存在细胞分子的高光谱特征，从而识别出那些具有最独特光发射模式的分子。
另一个关键点是需改造至细胞中的酶数量，这一特性因不同细胞类型而异。“理想的分子是那种明显区别于其他所有分子的，易于检测，且只需少数几种酶即可在细胞中生成，”沃伊特说。
通过他们新发表的研究成果，研究人员确定了两种分子，最适合两种细菌类型。对于一种名为假单胞菌的土壤细菌，他们使用了一种名为胆绿素的报告分子——这是一种由血红素分解产生的色素。对于一种名为红褐固氮螺菌的水生细菌，他们使用了一种细菌叶绿素。
对于每种细菌，研究人员将所需酶工程化至宿主细胞中，然后将其与基因工程化的传感器电路相连。“对20,170种代谢物的量子力学模拟确定了候选HSRs，导致选择了胆绿素IXα和细菌叶绿素a，因其独特的吸收光谱和生物合成可行性，”调查人员指出。“这些基因被整合进土壤（假单胞菌）和水生（红褐固氮螺菌）细菌的化学传感器电路中。”
沃伊特进一步解释说：“你可以将这些报告器之一添加到细菌或任何细胞中。它可能会响应土壤中的金属、辐射或毒素，也可能响应土壤中的养分，或你希望它响应的其他事物。然后，其输出将是这种分子的生成，然后可从远处被检测到。”
研究人员将高光谱报告器与设计用于群体感应的电路相连，这使细胞能够检测附近的其他细菌。研究人员还在新论文发表后的后续工作中展示，这些报告分子可与砷等化学品的传感器相连。
在测试传感器时，研究人员将传感器放入盒中以确保封闭。这些盒子被放置在田野、沙漠或建筑物屋顶上，细胞产生可被安装在无人机上的高光谱相机检测到的信号。相机大约需20到30秒扫描视野，然后计算机算法分析信号以判断高光谱报告器是否存在。研究团队报告的最大成像距离为90米，但他们正努力延长这些距离。
“在户外环境下，借助固定装置和无人机搭载的相机拍摄的4,000平方米高光谱图像，细菌在高达90米的距离内可被检测到，”他们写道。他们指出，高光谱成像（HSI）相机在各类平台均广泛可用，从小型手持设备到无人机和卫星。“此外，HSRs可在白天自然条件下成像，并在包括开阔地面、植被和城市结构在内的光谱复杂环境中识别。”
他们设想这些传感器可用于农业目的，例如检测土壤中的氮或养分含量。对于这些用途，传感器也可设计为在植物细胞中工作。探测地雷是这种传感的另一潜在应用。
“尽管我们专注于细菌种类，HSRs还可用于真菌、植物、昆虫及高等动物的多种应用，”他们建议。“例如，在植物中，HSRs可用于远程监测基因表达，而非当前精准农业中使用的间接影响植物形态的方法。与其他报告器类似，HSRs还能支持在大生态规模上动态跟踪基因表达变化。”
在投入使用前，传感器需获美国环保署批准，若用于农业还需获美国农业部批准。沃伊特和切姆拉一直在与这两家机构、科研界及其他利益相关方合作，以明确这些技术获批前需解答的问题。“过去三年我们十分忙碌，致力于了解监管环境、安全顾虑、该技术的风险与益处，”切姆拉说道。
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