工程化细菌发出可以远距离探测的信号

使用一种新方法，触发细胞产生生成独特颜色组合的分子，麻省理工大学的工程师们展示了他们可以从远至90米的地方读取这些细菌信号。他们的工作可能导致农业及其他应用的细菌传感器的开发，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法。如果你站在旁边，用肉眼看过去，什么都看不见，但从几百米远的地方，使用特定的相机，当它开启时，你就可以得到信息，”麻省理工学院生物工程系主任、该新研究的资深作者克里斯托弗·沃伊特说。

在发表在自然生物技术期刊上的一篇论文中，研究人员展示了他们可以工程化两种不同类型的细菌，产生那些发出在可见光和红外光谱范围内独特波长的分子的能力，这些分子能够用超光谱相机成像。这些报告分子与检测附近细菌的基因电路相连，但研究人员表示，这种方法也可以与任何现有传感器结合使用，例如砷或其他污染物的传感器。

“这项技术的好处在于，你可以随意插入和使用任何传感器，”一名参与论文的麻省理工学院博士后约纳坦·切姆拉说。“没有任何理由认为任何传感器与这项技术不兼容。”

意泰·莱文（PhD ’24）也是该论文的主要作者。其他作者包括前本科生范月阳（’23）和安娜·约翰逊（’22），以及麻省理工学院的化学工程副教授康纳·科利。

超光谱成像

有许多方法可以工程细菌细胞，使其能够感知特定化学物质。这些大多数通过将分子的检测与某种输出（例如绿色荧光蛋白（GFP））连接起来。这些方法在实验室研究中效果良好，但这种传感器无法从远距离进行测量。

对于远距离传感，麻省理工团队想出了工程细胞以生产可用超光谱相机检测的超光谱报告分子的想法。这些相机最初在1970年代被发明，能够确定在给定像素中每种颜色波长的数量。每个像素不仅仅显现为红色或绿色，而是包含数百种不同波长的光的信息。

目前，超光谱相机被用于检测辐射的存在。在切尔诺贝利周围，这些相机已被用于测量放射性金属在植物细胞叶绿素中产生的微小颜色变化。超光谱相机还被用来寻找植物中营养不良或病原体侵入的迹象。

这项工作启发了麻省理工团队探索他们是否可以工程细菌细胞以在检测到目标分子时产生超光谱报告者。

为了使超光谱报告者最有用，它应该具有在多种波长的光中有峰值的光谱特征，使其更容易检测。研究人员进行了量子计算，以预测大约20,000种自然存在的细胞分子的超光谱特征，从而使他们能够识别那些具有最独特的光发射模式的分子。另一个关键特征是，需要被工程化进细胞中的酶数量，这一特征对于不同类型的细胞会有所不同。

“理想的分子是与其他所有分子截然不同的，使其可检测，并且需要最少量的酶在细胞中产生它，”沃伊特说。

在这项研究中，研究人员识别出了最适合两种细菌的两种不同的分子。对于一种名为Pseudomonas putida的土壤细菌，他们使用了一种称为胆绿素的报告者——一种由血红素分解而产生的色素。对于一种名为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，研究人员将生成报告者所需的酶工程化到宿主细胞中，然后将它们与基因工程传感器电路相连。

“你可以将其中一种报告者添加到细菌或任何在其基因组中具有基因编码的传感器的细胞中。因此，它可能对土壤中的金属或辐射或毒素，或者土壤中的营养物质或你希望它作出反应的任何东西作出反应。然后其输出将是这个分子的产生，可以从远处被探测到，”沃伊特说。

远距离传感

在这项研究中，研究人员将超光谱报告者与设计用于群体感应的电路相连，这使细胞能够检测其他附近的细菌。他们还展示了在这篇论文后，报告分子可以与包括砷在内的化学传感器相连。

在测试他们的传感器时，研究人员将其放置在箱子中，以保持其封闭。箱子被放置在田野、沙漠或建筑物的屋顶上，细胞产生了可以被装在无人机上的超光谱相机检测到的信号。相机需要大约20到30秒扫描视野，然后计算机算法分析信号以确认是否存在超光谱报告者。

在这篇论文中，研究人员报告在最大距离90米处成像，但他们现在正在努力延长这个距离。

他们设想这些传感器可以用于农业目的，比如感知土壤中的氮或营养水平。对于这些应用，传感器也可以设计为在植物细胞中工作。探测地雷是此类传感的另一潜在应用。

在被部署之前，这些传感器需要经过美国环境保护署的监管批准，以及如果用于农业，则需要获得美国农业部的批准。沃伊特和切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。

“在过去三年里，我们非常忙于了解监管环境是什么，安全担忧是什么，风险是什么，这种技术的好处是什么？”切姆拉说。