科学家们通过改造细菌使土壤和农作物“发光”呈现不同的颜色

快速阅读: 据《科学警报》称，MIT研究人员开发了一种基于基因改造细菌的传感器系统，可远程检测土壤中的分子、化学物质或细菌。细菌在检测到目标时会发出特定波长的光，通过高光谱相机识别。此技术通用性强，已在土壤监测中验证，未来有望用于环境持续监测。研究获美国和以色列国防部资助。

无人机或卫星可通过检测不同颜色的荧光来获取土壤健康状况的信息，这些荧光由营养物质或污染物等触发因素引起。细菌已被广泛用作传感器，因其可轻松编辑以在满足某些条件时产生分子，但通常需要显微镜和时间来检查它们的响应。

麻省理工学院的研究人员设计了一种传感器系统，当细菌检测到目标时会发出特定波长的光。该系统似乎足够通用，能够检测几乎所有分子、化学物质或细菌，无论好坏。通过加入两种不同细菌，污染严重的区域可呈现红色荧光，而养分丰富的区域则呈现绿色荧光。

“它可以响应土壤中的金属、辐射或毒素，也可以响应土壤中的养分，或者任何你希望它响应的东西，”麻省理工学院的生物工程师克里斯托弗·沃伊特说道。“其输出将是生成一种可以从远处检测到的分子。”

研究团队利用安装在无人机或建筑物上的特殊摄像机扫描由基因改造细菌巡逻的土壤样本。含有目标的样品清晰可见，从高达90米（295英尺）的距离发出的信号强度比对照样品高出12倍。这种发光肉眼不可见，它依靠的是高光谱相机。这些设备能检测数百个可见光和红外光波长，并分析每个像素中各种波长的含量，这意味着它们可以捕捉到其他仪器甚至人眼无法察觉的细微颜色变化。

研究团队设计细菌产生‘报告分子’，这些分子可被高光谱相机捕捉。他们首先对20,170种代谢物进行量子力学模拟，寻找最合适的候选者。“最佳的高光谱报告分子（HSRs）是光谱最独特且所需酶最少的分子，”作者在描述这项工作的论文中写道。最终，他们选择了两个有前景的候选者：一种叫做胆绿素的色素，它可以给瘀伤带来绿色色调，以及一种细菌叶绿素，微生物用于光合作用。

制造胆绿素所需的酶被引入一种名为假单胞菌的土壤细菌，而一种名为Rubrivivax gelatinosus的水生微生物获得了生产细菌叶绿素的能力。这些输出被整合进细菌基因组的传感器电路——在这种情况下，是为了检测附近潜伏的其他细菌。但实际上，触发器几乎可以是任何事物，包括受污染土壤中的化学物质。

“这项技术的一大优点是可随意插入并使用任意传感器，”麻省理工学院环境微生物组工程师约纳坦·切姆拉说。“没有理由认为任何传感器不能与这项技术兼容。”

在这张无人机拍摄的照片中，含较高浓度细菌叶绿素的样本盒清晰可见（切姆拉等人，《自然·生物技术》，2025年）。为验证这一设想，研究团队将土壤或沙子样本放入开放的盒子中，其中一些盒子中埋有目标的圆盘。无人机或屋顶上的高光谱相机可以在不到30秒的时间内拍摄覆盖数百或数千平方米的图像。果然，含有目标的盒子发光强烈，与对照样品形成鲜明对比。

研究人员披露得到了美国国防部和以色列国防部的资助。“在过去三年里，我们一直在努力了解这些系统的监管环境和安全问题，风险和收益是什么？”切姆拉说。

虽然这些系统的安全性和法规仍需解决，但研究团队表示，这种方法显示出在持续环境监测方面的潜力。“微生物哨兵作为现场传感器具有诸多优势。它们可以广泛分布，响应独特信号，且无需电力即可持续运行，”作者写道。“此外，HSRs可以在白天的自然条件下成像，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。”

这项研究发表在《自然·生物技术》期刊上。

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