微生物传感器：为地球健康“把脉问诊”

2023-10-24 09:04 由科技日报发表于 #科技

【科技创新世界潮】

◎本报记者刘霞

美国微生物学会指出，科学家可以对微生物做一些巧妙的事情，例如改造细菌的细胞，使其能够感知特定化合物的存在并发出特定信息，采用如此方法得到的全细胞生物传感器可在环境和医学等多个领域“大展拳脚”。

让细菌“说”出其所见所感

全细胞生物传感器是合成生物学的重要研究领域之一，其以微生物细胞作为敏感元件，将收集到的相关信号转化为可读信号，可广泛应用于环境污染物监测、食品安全检测以及疾病诊断等领域。

英国莱斯大学生物科学教授卡洛琳·阿乔·富兰克林博士的合成生物学实验室正在开发此类微生物传感器。她解释称，为了生存，细菌需要知道周围发生了什么。细菌身上携带很多传感器，这些传感器不仅能感知周遭环境，还会指导细菌做一些事情。科学家希望利用细菌的这些自然反应，让细菌告诉人们它们的所见所感。

尽管有无数种方法可以制造全细胞生物传感器，但基本原理大同小异：利用基因工程方法，对细菌细胞编程，使其能识别特定分子并产生可测量的信号。全细胞生物传感器通常被设计为只有当其目标分子存在时才能工作，这种调谐特异性和灵敏度的能力使微生物传感器成为有前途的分析工具。

在环境和医学领域发挥作用

在环境方面，全细胞生物传感器可以洞察土壤中的营养水平和有机化合物，为作物生长提供信息，还可以指示潜在问题化合物的存在和浓度。

例如，卡洛琳团队与莱斯大学科学家合作开发了一种可以检测硫代硫酸盐的生物传感器。硫代硫酸盐可以用作饮用水和废水的脱氯剂、杀菌剂 ,但其过量可能导致藻类大量繁殖。大多数生物传感器都依赖于报告基因的转录来产生信号，这需要长达30分钟的时间以及大量细胞能量。为优化这一过程，团队在大肠杆菌内创建了一个合成电子传输链。来自硫代硫酸盐的电子穿过这个合成链，撞击电极，在一分钟或更短时间内产生电流。

卡洛琳指出，有了这项技术，科学家有机会对环境毒素的意外释放作出快速反应，从而减轻生态影响。

除对营养物质和有毒化合物作出反应外，微生物传感器还可以对其他细菌作出反应，从而探测到致病微生物的信号，以帮助诊断感染。今年8月10日，《科学》杂志刊登了一项引人注目的研究：美国加州大学圣迭戈分校科学家通过对贝氏不动杆菌进行巧妙改造，让基因工程菌能够发掘癌症细胞的存在。据了解，这是全球首次通过基因工程菌检测到癌细胞的实验研究。

尽管这项技术仍需进一步研究和完善，但研究者坚信，这项技术不仅可以应用于癌症检测，还能用于其他感染性疾病的诊断，为医学的未来铺就了崭新的道路。

此外，科学家们还创造了可摄入人体内的微生物传感器，其可以检测肠道中的出血或炎症生物标志物，以监测肠道健康，而且这些内部微生物设备发出的信号可以传输到手机等外部设备，以便于数据收集和分析。

安全使用是关键

人们现在已经拥有用于监测土壤或诊断疾病等任务的工具和技术，为什么要使用微生物传感器呢？卡洛琳指出，当涉及到化学特异性时，微生物传感器能大放异彩。

此外，微生物传感器也可以部署在环境中，而不会对当地生态系统造成物理破坏（如改变土壤的景观）。另一个好处是，微生物传感器的制备和储存相对便宜，因此在资源匮乏传统传感器无法获得的地区，比如地球上的偏远地区或在其他星球上，它们都能够“挺身而出”。

卡洛琳表示，随着该领域的不断发展，微生物传感器有望成为常见的分析和检测工具，但其还有几个问题需要解决。

首先，微生物设备不能也不应该在没有限制的情况下释放到环境中。卡洛琳强调，应在物理上（如将微生物限制在某种胶囊或基质中）和生物化学上（如果它们以某种方式逃脱了物理约束，将不再复制或具有代谢活性）控制微生物。此外，研究人员还需要与公众和政策制定者接触，以了解和解决围绕微生物传感器的产生和部署的问题。

卡洛琳强调称，理想情况下，未来的微生物传感器不仅能感知，还能作出反应，也就是说，其不仅可以检测污染物的存在，还可以降解污染物。毕竟，这是细菌的自然行为：它们感知威胁并应对它。