《Nature Biotechnology》新型军事武器：细菌发出的信号可以在90米外被读取

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

这些细菌可以被设计用来检测污染或营养物质，可以作为传感器帮助农民监测他们的作物。

　　

细菌可以经过改造，从而感知各种分子，比如污染物或土壤养分。然而，在大多数情况下，这些信号只有在显微镜下观察细胞才能被检测到，这使得它们在大规模应用中不太实用。

麻省理工学院（MIT）的工程师们使用一种新方法，该方法能触发细胞产生可生成独特颜色组合的分子。他们已经证明，他们能够在远至 90 米的距离外读取这些细菌信号。他们的工作可能会推动用于农业和其他领域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测。

“这是一种从细胞中获取信息的新方式。如果你站在细胞旁边，用肉眼什么也看不到，但在几百米之外，使用特定的相机，当信号开启时你就能获取信息。” 麻省理工学院生物工程系主任、这项新研究的资深作者克里斯托弗・沃伊特（Christopher Voigt）说。

在今天发表于《自然・生物技术》（Nature Biotechnology）的一篇论文中，研究人员展示了他们可以对两种不同类型的细菌进行改造，使其产生能在可见光和红外光谱范围内发出独特波长光的分子，这些分子可以用高光谱相机进行成像。研究人员称，这些报告分子与检测附近细菌的遗传回路相关联，但这种方法也可以与任何现有的传感器相结合，比如检测砷或其他污染物的传感器。

“这项技术的好处在于你可以即插即用任何你想要的传感器，” 麻省理工学院博士后约纳坦・谢姆拉（Yonatan Chemla）说，他是这篇论文的主要作者之一，“没有理由认为任何传感器都与这项技术不兼容。”

伊泰・莱文（Itai Levin）博士（2024 届）也是这篇论文的主要作者之一。其他作者包括前本科生Yueyang Fan（2023 届）和安娜・约翰逊（2022 届），以及麻省理工学院化学工程副教授康纳・科利（Connor Coley）。

高光谱成像
有很多方法可以对细菌细胞进行改造，使其能够感知特定的化学物质。其中大多数方法是通过将对分子的检测与诸如绿色荧光蛋白（GFP）这样的输出相连接来实现的。这些方法在实验室研究中效果很好，但这样的传感器无法进行远距离测量。

为了实现远距离传感，麻省理工学院的团队想出了一个主意，即对细胞进行改造，使其产生高光谱报告分子，这些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，能够确定任何给定像素中存在的每种颜色波长的含量。每个像素包含的不是简单的红色或绿色信息，而是包含了数百种不同波长光的信息。

目前，高光谱相机被用于诸如检测辐射存在等应用。在切尔诺贝利周边地区，这些相机被用于测量放射性金属在植物细胞叶绿素中产生的细微颜色变化。高光谱相机也被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团队去探索他们是否可以对细菌细胞进行改造，使其在检测到目标分子时产生高光谱报告分子。

为了使高光谱报告分子发挥最大作用，它应该具有在多个光波长上有峰值的光谱特征，这样更容易被检测到。研究人员进行了量子计算，以预测大约 20000 种天然存在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发光模式的分子。另一个关键特征是为了让细胞产生报告分子而需要对细胞进行改造的酶的数量，这一特征因细胞类型的不同而有所差异。

“理想的分子是与其他所有分子都截然不同的，这样才便于检测，而且在细胞中产生它所需的酶的数量最少。” 沃伊特说。

在这项研究中，研究人员确定了两种最适合两种不同类型细菌的分子。对于一种名为恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）的土壤细菌，他们使用了一种名为胆绿素（biliverdin）的报告分子，这是一种由血红素分解产生的色素。对于一种名为胶状红环菌（Rubrivivax gelatinosus）的水生细菌，他们使用了一种细菌叶绿素。对于每种细菌，研究人员将产生报告分子所需的酶导入宿主细胞，然后将它们与经过基因工程改造的传感器回路连接起来。

“你可以将这些报告分子中的一种添加到细菌或任何在其基因组中具有基因编码传感器的细胞中。所以，它可能会对土壤中的金属、辐射或毒素，或者土壤中的养分，或者任何你希望它响应的物质做出反应。然后，其输出将是产生这种分子，之后就可以从很远的地方检测到它。” 沃伊特说。

远距离传感
在这项研究中，研究人员将高光谱报告分子与为群体感应设计的回路连接起来，群体感应使细胞能够检测到附近的其他细菌。在完成这篇论文之后的工作中，他们还表明，这些报告分子可以与检测包括砷在内的化学物质的传感器相连接。

在测试他们的传感器时，研究人员将其放置在盒子里，以便将其控制在一定范围内。这些盒子被放置在田野、沙漠或建筑物的屋顶上，细胞产生的信号可以用安装在无人机上的高光谱相机检测到。相机大约需要 20 到 30 秒来扫描视野，然后计算机算法会分析这些信号，以揭示高光谱报告分子是否存在。

在这篇论文中，研究人员报告的最大成像距离为 90 米，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，比如检测土壤中的氮或养分水平。对于这些应用，传感器也可以设计成在植物细胞中发挥作用。检测地雷是这种传感方式的另一个潜在应用。

在部署之前，这些传感器需要获得美国环境保护署的监管批准，如果用于农业，还需要获得美国农业部的批准。沃伊特和谢姆拉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，我们一直非常忙碌，努力了解监管情况是怎样的，安全方面有哪些担忧，存在哪些风险，这种技术又有哪些好处？” 谢姆拉说。

这项研究由美国国防部、美国陆军研究办公室（美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个部门，该资金支持了环境菌株的工程改造以及基因编码传感器和高光谱报告生物合成途径的优化）和以色列国防部资助。