微生物傳感器：為地球健康“把脈問診”
劉 霞
美國微生物學(xué)會指出，科學(xué)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(fā)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(huán)境和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)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(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，其以微生物細胞作為敏感元件，將收集到的相關(guān)信號轉(zhuǎn)化為可讀信號，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物監(jiān)測、食品安全檢測以及疾病診斷等領(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)實驗室正在開發(fā)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(fā)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(huán)境，還會指導(dǎo)細菌做一些事情�？茖W(xué)家希望利用細菌的這些自然反應(yīng)，讓細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(chǎn)生可測量的信號。全細胞生物傳感器通常被設(shè)計為只有當(dāng)其目標分子存在時才能工作，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，全細胞生物傳感器可以洞察土壤中的營養(yǎng)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(xué)科學(xué)家合作開發(fā)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(dǎo)致藻類大量繁殖。大多數(shù)生物傳感器都依賴于報告基因的轉(zhuǎn)錄來產(chǎn)生信號，這需要長達30分鐘的時間以及大量細胞能量。為優(yōu)化這一過程，團隊在大腸桿菌內(nèi)創(chuàng)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(nèi)產(chǎn)生電流。
卡洛琳指出，有了這項技術(shù)，科學(xué)家有機會對環(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其他細菌作出反應(yīng)，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(xué)》雜志刊登了一項引人注目的研究：美國加州大學(xué)圣迭戈分校科學(xué)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(fā)掘癌癥細胞的存在。據(jù)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(shù)仍需進一步研究和完善，但研究者堅信，這項技術(shù)不僅可以應(yīng)用于癌癥檢測，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，其可以檢測腸道中的出血或炎癥生物標志物，以監(jiān)測腸道健康，而且這些內(nèi)部微生物設(shè)備發(fā)出的信號可以傳輸?shù)绞謾C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，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，而不會對當(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(tǒng)傳感器無法獲得的地區(qū)，比如地球上的偏遠地區(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工具，但其還有幾個問題需要解決。
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�？辶諒娬{(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(yīng)對它。
