细菌传感器检测环境污染物

作者：张馨予

“近年来，科学家们开发出许多工程细菌的菌株，它们可以作为传感器来检测如重金属等的环境污染物。在自然环境中部署这些传感器，可以跟踪污染物如何随时间变化。最近，麻省理工学院的工程师们设计出一种方法，通过将细菌传感器包裹在坚硬的水凝胶壳中，防止它们流到环境中将转基因传播给其他有机体，还有助于保护传感器免受环境破坏让这种部署更加安全。这项新研究的负责人说, “现在有很多全细胞生物传感器被研发,但是在现实世界中应用它们仍是一个挑战，因为我们不希望任何转基因生物能够与野生型微生物交换遗传物质。”

遏制有害交换

通过改造细菌，来表达出它们通常不具备的基因回路，研究人员可以使它们检测到各种不同的分子。通常，这些电路的设计是为了让目标检测触发来产生绿色荧光蛋白或生物荧光。还有一些回路，把事件的记忆记录在细胞的DNA中。进入这些细菌的基因回路通常包括抗生素、耐药性基因，这使研究人员确保他们的基因回路已经正确地插入到细菌细胞中。然而，如果这些基因被释放到环境中，可能是有害的。许多细菌和其他微生物能够通过一种叫做水平基因转移的过程来交换基因，甚至在不同物种之间也能进行。

为了防止这种基因交换，研究人员使用了一种叫做“化学遏制”的策略，包括设计细菌传感器，这样它们就需要一种在野外是无法获得的人工分子。然而，在非常大的细菌种群中，有一小部分细菌可能会发生突变，使它们能够在没有这种分子的情况下存活下来。另一种选择是“物理遏制”，通过将细菌封装在一个装置中来防止它们“逃跑”。但是迄今为止已经尝试过的材料，如塑料和玻璃，效果并不好，因为它们会形成扩散屏障，阻止细菌与它们设计用来检测的分子相互作用。

在这项研究中，研究人员决定尝试将细菌传感器封装在水凝胶中。这些是有弹性的材料，可由各种不同的建筑材料组成。许多天然存在的水凝胶，如从藻类中提取的海藻酸盐，在室外环境中过于脆弱，无法保护细胞。实验室之前已经开发出一些非常坚韧且有弹性的水凝胶，研究人员认为这种凝胶可以用来包裹细菌。为了制造这种保护球，研究人员首先将细菌和一些必需的营养物质嵌入藻酸盐中。然后在这些球上涂上一种坚韧水凝胶，这种水凝胶是由海藻酸盐和聚丙烯酰胺合成的。外层有直径从5到50纳米不等的孔，允许糖或重金属等分子通过，DNA和更大的蛋白质通过不了。

检测污染

研究人员为这项研究构建的球体直径约为5毫米，可以携带多达10亿个细菌细胞。研究人员用这些球包裹大肠杆菌，这些大肠杆菌可以用来检测重金属镉。为了测试传感器，研究人员将它们放置在查尔斯河的水样中，研究人员在样本中添加了镉，发现细菌可以准确地检测到球体内的污染物。研究人员说，这种细菌没有从球体中逃逸出来，也没有泄露任何遗传物质。

同时，研究人员证明，他们的包封技术也适用于另一种大肠杆菌菌株，这种菌株被设计成依赖于一种人工分子——一种自然界中没有的氨基酸。“我们正在研究新的解决方案，看看能否将化学和物理遏制相结合。这样一来，如果其中一个失败了，另一个可以起作用。”在未来的研究中，研究人员希望在模拟真实环境的模型环境中测试传感器。研究人员表示，除了检测环境污染物外，这种类型的传感器还可能用于比如检测消化道出血等医疗应用。