工程细菌发出可以从远处发现的信号

细菌可以被改造成感知各种分子，如污染物或土壤养分。然而，在大多数情况下，这些信号只能通过在显微镜或类似敏感的实验室设备下观察细胞来检测，这使得它们不适合大规模使用

麻省理工学院的工程师们使用了一种新方法，可以触发细胞产生产生独特颜色组合的分子，他们已经证明，他们可以在90米外读取这些细菌信号。他们的工作可能会导致用于农业和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

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·沃伊特说：“这是一种从细胞中获取信息的新方法。如果你站在它旁边，你无法用眼睛看到任何东西，但从数百米外，使用特定的摄像头，你可以在它打开时获取信息。”

在《自然生物技术》上发表的一篇论文中，研究人员表明，他们可以设计两种不同类型的细菌，以产生在可见光和红外光谱中发出不同波长光的分子，这些分子可以用高光谱相机成像

研究人员表示，这些报告分子与检测附近细菌的遗传回路有关，但这种方法也可以与任何现有的传感器相结合，例如砷或其他污染物的传感器

麻省理工学院博士后Yonatan Chemla是该论文的主要作者之一，他说：“这项技术的好处是，你可以插入任何你想要的传感器。”。“没有理由说任何传感器都与这项技术不兼容。”Itai Levin博士也是这篇论文的主要作者。其他作者包括前本科生范岳阳和安娜·约翰逊，以及麻省理工学院化学工程副教授康纳·科利

高光谱成像

有很多方法可以改造细菌细胞，使其能够感知特定的化学物质。其中大多数是通过将分子的检测与绿色荧光蛋白（GFP）等输出连接起来来工作的。这些传感器在实验室研究中表现良好，但无法远距离测量

对于长距离传感，麻省理工学院的团队提出了设计细胞以产生高光谱报告分子的想法，这些分子可以使用高光谱相机进行检测。这些相机最早发明于20世纪70年代，可以确定任何给定像素中每种颜色波长的含量。每个像素都包含数百种不同波长的光的信息，而不是简单地显示为红色或绿色

目前，高光谱相机用于检测辐射存在等应用。在切尔诺贝利周围地区，这些相机被用来测量放射性金属在植物细胞叶绿素中产生的轻微颜色变化。高光谱相机也被用来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探索他们是否可以设计细菌细胞，在检测到目标分子时产生高光谱报告器

为了使高光谱报告器最有用，它应该具有在多个波长的光中具有峰值的光谱特征，使其更容易检测

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研究人员进行了量子计算，预测了大约20000个自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细胞分子。另一个关键特征是需要将酶的数量工程化到细胞中才能使其产生报告基因——这一特征因不同类型的细胞而异

Voigt说：“理想的分子是一种真正不同于其他任何东西的分子，使其可检测，并且需要最少数量的酶在细胞中产生它。”

在这项研究中，研究人员确定了两种最适合两种细菌的不同分子。对于一种名为恶臭假单胞菌的土壤细菌，他们使用了一种名为胆绿素的报告物——一种由血红素分解产生的色素。对于一种名为Rubrivax 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基因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连接起来

沃伊特说：“你可以将其中一个报告器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。因此，它可能会对土壤中的金属、辐射或毒素、土壤中的营养物质或任何你想让它响应的东西做出反应。然后，它的输出将是这种分子的产生，然后可以从远处感知。”

长距离传感

在这项研究中，研究人员将高光谱报告器与为群体感应设计的电路连接起来，使细胞能够检测附近的其他细菌。在本文之后的工作中，他们还表明，这些报告分子可以与包括砷在内的化学物质的传感器连接

在测试他们的传感器时，研究人员将它们部署在盒子里，这样它们就可以被控制住。这些盒子被放置在田野、沙漠或建筑物的屋顶上，这些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。相机扫描视场大约需要20到30秒，然后计算机算法分析信号，以揭示高光谱报告器是否存在

在这篇论文中，研究人员报告了最大距离为90米的成像，但他们现在正在努力延长这些距离

他们设想这些传感器可以用于农业目的，例如检测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。探测地雷是这种传感的另一个潜在应用

在部署之前，传感器需要经过美国环境保护局的监管批准，如果用于农业，还需要经过美国农业部的监管批准。Voigt和Chemla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

Chemla说：“在过去的三年里，我们一直在忙于了解监管环境是什么，安全问题是什么，风险是什么，这种技术的好处是什么？” More information: Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria, Nature Biotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41587-025-02622-y

Journal information: Nature Biotechnology