全細胞細菌生物傳感器示例。圖片來源：美國微生物學會

科技日報記者?劉霞

美國微生物學會指出，科學家可以對微生物做一些巧妙的事情，例如改造細菌的細胞，使其能夠感知特定化合物的存在并發出特定信息，采用如此方法得到的全細胞生物傳感器可在環境和醫學等多個領域“大展拳腳”。

讓細菌“說”出其所見所感

全細胞生物傳感器是合成生物學的重要研究領域之一，其以微生物細胞作為敏感元件，將收集到的相關信號轉化為可讀信號，可廣泛應用于環境污染物監測、食品安全檢測以及疾病診斷等領域。

英國萊斯大學生物科學教授卡洛琳·阿喬·富蘭克林博士的合成生物學實驗室正在開發此類微生物傳感器。她解釋稱，為了生存，細菌需要知道周圍發生了什么。細菌身上攜帶很多傳感器，這些傳感器不僅能感知周遭環境，還會指導細菌做一些事情。科學家希望利用細菌的這些自然反應，讓細菌告訴人們它們的所見所感。

盡管有無數種方法可以制造全細胞生物傳感器，但基本原理大同小異：利用基因工程方法，對細菌細胞編程，使其能識別特定分子并產生可測量的信號。全細胞生物傳感器通常被設計為只有當其目標分子存在時才能工作，這種調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。

在環境和醫學領域發揮作用

在環境方面，全細胞生物傳感器可以洞察土壤中的營養水平和有機化合物，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，卡洛琳團隊與萊斯大學科學家合作開發了一種可以檢測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 ,但其過量可能導致藻類大量繁殖。大多數生物傳感器都依賴于報告基因的轉錄來產生信號，這需要長達30分鐘的時間以及大量細胞能量。為優化這一過程，團隊在大腸桿菌內創建了一個合成電子傳輸鏈。來自硫代硫酸鹽的電子穿過這個合成鏈，撞擊電極，在一分鐘或更短時間內產生電流。

卡洛琳指出，有了這項技術，科學家有機會對環境毒素的意外釋放作出快速反應，從而減輕生態影響。

除對營養物質和有毒化合物作出反應外，微生物傳感器還可以對其他細菌作出反應，從而探測到致病微生物的信號，以幫助診斷感染。今年8月10日，《科學》雜志刊登了一項引人注目的研究：美國加州大學圣迭戈分校科學家通過對貝氏不動桿菌進行巧妙改造，讓基因工程菌能夠發掘癌癥細胞的存在。據了解，這是全球首次通過基因工程菌檢測到癌細胞的實驗研究。

盡管這項技術仍需進一步研究和完善，但研究者堅信，這項技術不僅可以應用于癌癥檢測，還能用于其他感染性疾病的診斷，為醫學的未來鋪就了嶄新的道路。

此外，科學家們還創造了可攝入人體內的微生物傳感器，其可以檢測腸道中的出血或炎癥生物標志物，以監測腸道健康，而且這些內部微生物設備發出的信號可以傳輸到手機等外部設備，以便于數據收集和分析。

安全使用是關鍵

人們現在已經擁有用于監測土壤或診斷疾病等任務的工具和技術，為什么要使用微生物傳感器呢？卡洛琳指出，當涉及到化學特異性時，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境中，而不會對當地生態系統造成物理破壞（如改變土壤的景觀）。另一個好處是，微生物傳感器的制備和儲存相對便宜，因此在資源匱乏傳統傳感器無法獲得的地區，比如地球上的偏遠地區或在其他星球上，它們都能夠“挺身而出”。

卡洛琳表示，隨著該領域的不斷發展，微生物傳感器有望成為常見的分析和檢測工具，但其還有幾個問題需要解決。

首先，微生物設備不能也不應該在沒有限制的情況下釋放到環境中。卡洛琳強調，應在物理上（如將微生物限制在某種膠囊或基質中）和生物化學上（如果它們以某種方式逃脫了物理約束，將不再復制或具有代謝活性）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生和部署的問題。

卡洛琳強調稱，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，也就是說，其不僅可以檢測污染物的存在，還可以降解污染物。畢竟，這是細菌的自然行為：它們感知威脅并應對它。