Nature：可编程的“放电”细菌

莱斯大学的科学家和工程师开发了可编程细菌，可以感知污染物并实时释放电子信号。

莱斯大学设计的类似帕克的生物电子设备包含可编程细菌，并连接到一个电极上，当它们检测到目标污染物时发送信号，实现实时传感。    

当你用锤子砸到手指时，你马上就会感到疼痛。你会立即做出反应。但如果疼痛是在击中20分钟后才开始的呢?到那时，伤口可能更难愈合。莱斯大学的科学家和工程师表示，环境也是如此。如果河里的化学品泄漏在20分钟内不被注意到，那么补救可能就太晚了。

它们的生物电子传感器可以提供帮助。由莱斯合成生物学家领导的团队Caroline Ajo-Franklin而且 Jonathan (Joff) Silberg开发了报告各种污染物的工程细菌。他们的研究发表在《Nature》。

细胞可以通过编程识别化学入侵者，并通过释放可检测的电流在几分钟内报告。据研究人员介绍，这种“智能”设备可以在监测河流、农场、工业和污水处理厂等环境的情况时，通过清除环境中的能量来为自己供电，以确保水的安全。这些自我复制的细菌所传递的环境信息可以通过替换八组分合成电子传递链中的一个蛋白质来定制，合成电子传递链产生传感器信号。

“我认为这是迄今为止建立的最复杂的蛋白质实时信号通路，”莱斯系统、合成和物理生物学博士项目主任Silberg说。“简单地说，想象一下一根导线，它可以引导电子从细胞化学物质流向电极，但我们把导线中间的部分折断了。当目标分子击中时，它会重新连接并通电整个通路。”

Ajo-Franklin说:“这实际上是一个微型的电子开关。你把探针放入水中，测量水流，就这么简单。我们的设备是不同的，因为微生物是囊化的。我们不会把它们释放到环境中。”

研究人员的概念验证细菌是大肠杆菌，他们的第一个目标是硫代硫酸盐，一种用于水处理的二氯剂，会导致藻类大量繁殖。此外，还有可供测试的方便水源:加尔维斯顿海滩(Galveston Beach)、休斯顿的布雷(Brays)和布法罗(Buffalo)河口。

起初，他们将大肠杆菌附着在电极上。“它们不会自然地附着在电极上，”Ajo-Franklin说。“我们使用的菌株不会形成生物膜，所以当我们加水时，它们会脱落。”当这种情况发生时，电极传递的噪音多于信号。

他们与Ajo-Franklin实验室的博士后研究员Xu Zhang合作，将传感器封装在棒棒糖形状的琼脂糖原中，允许污染物进入，但保持传感器不动，减少噪音。

“Xu的背景是环境工程，”Ajo-Franklin说。“她没有进来说，‘哦，我们必须修复生物学。’她说，‘我们能用这些材料做什么?’合成生物学需要在材料方面进行伟大的、创新的工作，才能焕发光芒。”

有了物理条件的限制，实验室首先对大肠杆菌进行编码，以表达一种只在遇到硫代硫酸盐时产生电流的合成途径。这种活传感器能够在每升低于0.25毫摩尔的水平上感知到这种化学物质，远低于对鱼类有毒的水平。

在另一个实验中，大肠杆菌被重新编码以感知一种内分泌干扰物。定制合成的导电纳米颗粒被包裹在琼脂糖棒棒糖中的细胞中时，信号得到了极大的增强。研究人员报告说，这些封装的传感器检测这种污染物的速度比之前最先进的设备快10倍。

Silberg说，这种设计的复杂性远远超出了信号通路。他说:“这个链有八个控制电子流的成分，但还有其他成分构成了连接分子的导线。有12种半成分和近30种金属或有机辅助因子。这个东西与我们的线粒体呼吸链相比是庞大的。”

Silberg说，他认为工程微生物在未来可以执行许多任务，从监测肠道微生物群到感知病毒等污染物，在大流行期间对废水处理厂检测SARS-CoV-19的成功策略的基础上进行改进。

“对于那些瞬时脉冲，实时监测变得非常重要，”他说。“因为我们种植了这些传感器，它们的制造成本可能相当低。”

为此，该团队正在与莱斯大学化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程教授Rafael Verduzco合作，他最近与Ajo-Franklin、Silberg、生物科学家Kirstin Matthews以及土木和环境工程师Lauren Stadler一起领导了一项200万美元的国家科学基金会赠款，开发实时废水监测。

参考文献

Real-time environmental monitoring of contaminants using living electronic sensors