细菌生物传感器分析物检测的未来

科学家可以利用微生物做一些有趣的事情，包括改造细菌细胞来感知和发出特定化合物的存在信号。这些微生物全细胞生物传感器具有多种用途，从检测环境中的毒素到发出人类感染或疾病的信号。在合成生物学进步的推动下，研究人员正在继续完善创建细菌生物传感器的方法，并正在开发新的方法来应用这些设备来促进人类和地球的健康。

什么是全细胞生物传感器?

为了生存，细菌需要知道周围发生了什么。莱斯大学生物科学教授卡罗琳·阿乔-富兰克林博士说：“它们有很多传感器，这些传感器自然是它们生理学的一部分。”她的合成生物学实验室开发微生物生物传感器。“[然而]，这些传感器不仅仅是感知，”她继续说道，“它们还告诉细菌做某事。我们在该领域真正想做的是利用这些自然反应让细菌告诉细菌我们，作为人类，他们所看到的和所感受到的。”

尽管制造全细胞微生物生物传感器的方法有无数种，但基本原理是相同的：细菌细胞被编程(通常通过基因工程)来识别并产生可测量的信号以响应感兴趣的分子。在自然事件过程中，化合物与细菌上的受体结合，引发转录级联并产生具有特定生理功能的蛋白质(例如外排泵)。阿乔-富兰克林解释说，在生成生物传感器时，科学家“[用传感器]选择这些反应，这样我们就不会让细胞只制造[诸如]流出泵之类的产品，而是将它们设计成我们可以读取的反应。”

根据生物传感器及其预期用途，这种响应可以是电化学的或涉及荧光或发光报告蛋白的表达。全细胞生物传感器通常被设计为仅在目标分子存在时才起作用。这种微调特异性和灵敏度的能力使细菌生物传感器成为有前景的分析工具。

如何使用细菌生物传感器?

也许更好的问题是：细菌生物传感器不能用来做什么?这些微型工具的应用程序列表正在不断增长。然而，总的来说，它们的应用可以分为两类：环境和生物医学。

环境应用

在环境方面，全细胞生物传感器可以洞察土壤中的养分水平和有机化合物，从而为管理作物生长的方法提供信息。它们还可以表明潜在问题化合物的存在和水平。例如，Ajo-Franklin的团队与Rice的合作者开发了一种可以检测硫代硫酸盐的生物传感器，硫代硫酸盐是一种常用于水处理的化学物质，过量会引发微生物淡水繁殖。

值得注意的是，大多数生物传感器依赖报告基因的转录来产生信号，这需要时间(最多30分钟)和大量细胞能量。为了优化这一过程，莱斯团队采用了翻译后方法，在大肠杆菌中创建了一条合成电子传输链。来自硫代硫酸盐的电子穿过这条合成链并撞击电极，在一分钟或更短的时间内产生电流。借助这项技术，“我们有机会快速应对[环境毒素]的意外释放，从而减轻对生态的影响，”阿乔-富兰克林说。

生物医学应用

除了营养物质和有毒化合物之外，细菌生物传感器还可以设计用于响应其他细菌。微生物分泌各种代谢物，其中许多可以作为目标分析物。例如，检测细菌病原体分泌的群体感应分子的微生物生物传感器可以发出水中或人体样本中致病微生物存在的信号，以帮助诊断感染。

事实上，细菌生物传感器可以为人类患者的健康提供有用的信息。最近的一项研究描述了一种由环境细菌贝氏不动杆菌制成的生物传感器，它可以在体外和小鼠模型中检测癌细胞的DNA。该研究为微生物生物传感器在癌症检测和诊断中的应用提供了基础。

科学家们还创造了可摄入的生物传感器，可以检测肠道内的出血或炎症生物标志物，以监测肠道健康状况。来自这些内部微生物设备的信号可以传输到手机等外部设备，从而说明了生物传感器如何与现有的数字技术相结合，以促进数据收集和分析。

用于检测水中砷的生物传感器示例。枯草芽孢杆菌细胞响应砷浓度的增加而表达GFP。图片来源：微生物学谱(2023)。DOI：10.1128/频谱.00432-23

为什么选择生物传感器?

已经有用于监测土壤中分析物或诊断疾病等任务的工具和技术。那么，为什么要使用生物传感器呢?Ajo-Franklin指出，在大多数情况下，标准仪器和测试就可以了，实际上没有必要使用生物传感器来检测pH值或氧气水平。但当谈到化学特异性时，生物传感器确实表现出色。

她说：“我认为生物学超级神奇的地方在于，它可以非常快速地区分雌激素激动剂和雌激素拮抗剂之间的区别。”她指的是她的实验室使用快速生物传感器来检测雌激素拮抗剂，会破坏海洋脊椎动物的繁殖。利用微生物信号传导的自然特异性，科学家可以在分子混乱的自然世界中准确找到他们想要的东西。

细菌生物传感器也可以部署在环境中，而不会物理破坏当地生态系统(例如，改变土壤采样的景观)。另一个好处是，微生物生物传感器的制备和存储相对便宜，因此在资源匮乏、无法使用传统分析仪器或测试的地区(无论是地球上的偏远地区还是其他星球)具有潜在价值。

下一步是什么?

随着该领域的发展，细菌生物传感器成为常见分析工具的世界已经不远了。在迈向未来的过程中，研究人员正在重点关注几个关键的发展领域。

围绕细菌生物传感器最重要的讨论之一是如何安全地使用它们——微生物设备不能也不应该不受限制地释放到环境中。阿乔-富兰克林强调，实施控制水平，例如制定策略来控制微生物，无论是物理上(例如，将它们限制在某种胶囊或某种基质中)还是生物化学上(即，如果它们以某种方式逃脱了物理限制，它们就不会复制时间更长或代谢活跃)将是关键。

还努力与公众和政策制定者接触，以了解和解决围绕微生物生物传感器的产生和部署的担忧。“没有人会介意煤矿里的金丝雀，”阿乔-富兰克林说。“[但是]当它是转基因金丝雀时，情况就不同了。”

理想情况下，未来的细菌生物传感器不仅能感知，还能做出反应;也就是说，传感器不仅可以检测污染物的存在，还可以降解污染物。毕竟，这就是细菌的自然行为——它们感知到威胁并进行处理。阿乔-富兰克林将传感与行动相结合的目标比作实验室中的火灾处理——如果你看到火灾，你就会拉响火灾警报并使用灭火器。你不会拉响火警警报并站在那里摆弄拇指。

但如果从理论上讲，每场火灾都是不同的并且需要独特的灭火器，会发生什么呢?细菌生物传感器的化学特异性很好，但为科学家可能想要检测的数千种化合物中的每一种都制作一个全新的传感器有点不现实。因此，人们正在推动开发检测分子功能而不是单个化学物质的生物传感器(例如，寻找样品中潜在的内分泌干扰物，而不仅仅是BPA(许多此类干扰物之一))。

总而言之，还有很多事情要做。向所有这些方向前进需要采用跨学科的方法，该方法依赖于从电气工程师到公共政策工作人员的每个人的专业知识。“我觉得[这种方法]对于我们所有人[在该领域工作]来说既是挑战之一，也是乐趣之一，”阿乔-富兰克林分享道。“我既迷失、困惑又兴奋。”