Nature Biotechnology：可以从90米远的地方读取细菌信号！

Nature Biotechnology：Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria

麻省理工学院的工程师们对细菌进行了改造，使其产生的高光谱信号可以在90米外被探测到。他们的工作可能会导致用于农业和其他应用的细菌传感器的发展，例如，可以通过无人机或卫星监测作物健康。

　　

细菌可以被改造成感知各种分子，比如污染物或土壤养分。然而，在大多数情况下，这些信号只能通过在显微镜或类似敏感的实验室设备下观察细胞来检测，这使得它们不适合大规模使用。

麻省理工学院的工程师们使用一种新方法，触发细胞产生产生独特颜色组合的分子，他们已经证明，他们可以从90米远的地方读取这些细菌信号。他们的工作可能会导致用于农业和其他应用的细菌传感器的发展，这些传感器可以通过无人机或卫星进行监控。

“这是一种从细胞中获取信息的新方法。如果你站在它旁边，你的眼睛什么也看不见，但从几百米远的地方，使用特定的摄像头，当它打开时，你可以得到信息，”麻省理工学院生物工程系主任、这项新研究的高级作者Christopher Voigt说。

在今天发表在《自然生物技术》杂志上的一篇论文中，研究人员展示了他们可以设计两种不同类型的细菌来产生分子，这些分子在可见光和红外光谱中发出不同波长的光，这些光可以用高光谱相机成像。研究人员说，这些报告分子与检测附近细菌的遗传回路有关，但这种方法也可以与任何现有的传感器结合使用，比如检测砷或其他污染物的传感器。

该论文的主要作者之一、麻省理工学院博士后Yonatan Chemla说：“这项技术的好处在于，你可以插入并播放任何你想要的传感器。没有任何传感器不与这项技术兼容的理由。”

Itai Levin博士也是这篇论文的主要作者。其他作者包括以前的本科生范岳阳和安娜·约翰逊，以及康纳·科利，麻省理工学院化学工程副教授。

高光谱影像

有许多方法可以改造细菌细胞，使它们能够感知特定的化学物质。其中大部分是通过将分子检测与绿色荧光蛋白（GFP）等输出连接起来来工作的。这些传感器在实验室研究中工作得很好，但这种传感器无法从远距离测量。

对于远距离传感，麻省理工学院的研究小组提出了一个想法，即通过设计细胞来产生高光谱报告分子，这种分子可以用高光谱相机检测到。这些相机最早发明于20世纪70年代，可以确定任何给定像素中每种颜色波长的含量。每个像素不是简单地显示为红色或绿色，而是包含数百种不同波长的光的信息。

目前，高光谱相机被用于探测辐射的存在等应用。在切尔诺贝利周围地区，这些照相机被用来测量放射性金属在植物细胞的叶绿素中产生的轻微颜色变化。高光谱相机也用于寻找植物营养不良或病原体入侵的迹象。

这项工作启发了麻省理工学院的研究小组，他们探索是否可以设计细菌细胞，在检测到目标分子时产生高光谱报告。

为了使高光谱报告器最有用，它应该具有多个波长光的峰值光谱特征，使其更容易被检测到。研究人员通过量子计算来预测大约20,000个自然产生的细胞分子的高光谱特征，使他们能够识别出那些具有最独特的发光模式的细胞分子。另一个关键特征是需要将酶的数量改造到细胞中以使其产生报告基因——这一特征因不同类型的细胞而异。

Voigt说：“理想的分子是一种与其他分子完全不同的分子，它可以被检测到，并且需要最少数量的酶在细胞中产生它。”

在这项研究中，研究人员确定了两种最适合两种细菌的不同分子。对于一种叫做恶臭假单胞菌的土壤细菌，他们使用了一种叫做胆绿素的报告剂——一种由血红素分解产生的色素。对于一种叫做胶状红弧菌的水生细菌，他们使用了一种细菌叶绿素。对于每一种细菌，研究人员设计了在宿主细胞中产生报告基因所需的酶，然后将它们与基因工程传感器电路连接起来。

“你可以将这些报告者中的一个添加到细菌或任何基因组中具有遗传编码传感器的细胞中。所以，它可能会对金属或辐射或土壤中的毒素，或土壤中的营养物质，或任何你想让它做出反应的东西做出反应。然后其输出将是这种分子的产生，然后可以从很远的地方感知到，”Voigt说。

长距离传感

在这项研究中，研究人员将高光谱报告与设计用于群体感应的电路联系起来，这种电路允许细胞检测到附近的其他细菌。在这篇论文之后的研究中，他们还表明，这些报告分子可以与包括砷在内的化学物质的传感器联系起来。

在测试他们的传感器时，研究人员把它们放在盒子里，这样它们就不会被束缚住。这些盒子被放置在田野、沙漠或建筑物的屋顶上，这些细胞产生的信号可以被安装在无人机上的高光谱相机探测到。相机大约需要20到30秒来扫描视野，然后计算机算法分析信号以显示是否存在高光谱报告器。

在论文中，研究人员报告了最大90米的成像距离，但他们现在正在努力扩大这个距离。

他们设想这些传感器可以用于农业用途，如检测土壤中的氮或营养水平。对于这些应用，传感器也可以设计成在植物细胞中工作。探测地雷是这种传感技术的另一个潜在应用。

在部署之前，传感器需要经过美国环境保护署的监管批准，如果用于农业，还需要经过美国农业部的批准。Voigt和Chemla一直在与这两个机构、科学界和其他利益相关者合作，以确定在这些技术获得批准之前需要回答哪些问题。

“在过去的三年里，我们一直在忙着了解监管环境是什么，安全问题是什么，风险是什么，这种技术有什么好处？”Chemla说。