麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計了一種將細菌傳感器封裝到堅硬的水凝膠球體中的方法，以防止它們與環(huán)境中的其他微生物相互作用。圖片來源：麻省理工學(xué)院的Christine Daniloff

近年來，科學(xué)家開發(fā)了許多工程菌菌株，可用作檢測環(huán)境污染物（例如重金屬）的傳感器。如果部署在自然環(huán)境中，這些傳感器可以幫助科學(xué)家追蹤污染物水平在整個地理區(qū)域內(nèi)隨時間的變化。

麻省理工學(xué)院的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一種方法，可以通過將細菌傳感器包裹在堅固的水凝膠殼中來使其更安全，以防止細菌逃逸到環(huán)境中，并避免將修飾的基因傳播給其他生物。

“目前正在開發(fā)許多全細胞生物傳感器，但是在現(xiàn)實世界中應(yīng)用它們是一個挑戰(zhàn)，因為我們不希望任何轉(zhuǎn)基因生物能夠與野生型微生物交換遺傳物質(zhì)，”麻省理工學(xué)院的研究生Tzu-Chieh Tang，這項新研究的主要作者之一。

湯和他的同事表明，他們可以將大腸桿菌嵌入水凝膠球體中，從而使他們能夠在尋找所需污染物的同時保持與其他生物的隔離。外殼還有助于保護傳感器免受環(huán)境損害。

麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)與生物工程學(xué)副教授蒂莫西·盧（Timothy Lu）和麻省理工學(xué)院機械工程與土木與環(huán)境工程學(xué)教授趙選河是該研究的高級作者，該研究今天發(fā)表在《自然化學(xué)生物學(xué)》上。與Tang一起的Eleonore Tham博士 '18和麻省理工學(xué)院研究生劉欣悅（Yinyue Liu）也是該論文的主要作者。

物理遏制

通過對細菌進行改造以表達它們通常不具備的遺傳回路，研究人員可以使它們能夠檢測各種不同的分子。通常，對電路進行設(shè)計以使對靶標(biāo)的檢測觸發(fā)綠色熒光蛋白的產(chǎn)生或生物發(fā)光。在其他電路中，事件的記憶記錄在細胞的DNA中。

這些細菌的遺傳回路通常包含抗生素抗性基因，這使研究人員能夠確保其遺傳回路已正確插入細菌細胞中。但是，這些基因如果釋放到環(huán)境中可能會有害。許多細菌和其他微生物甚至可以使用稱為水平基因轉(zhuǎn)移的過程在不同物種之間交換基因。

為了試圖防止這種基因交換，研究人員使用了一種稱為“化學(xué)遏制”的策略，該策略涉及設(shè)計細菌傳感器，以便他們需要一種無法在野外獲得的人工分子。但是，在非常多的細菌種群中，少數(shù)細菌有可能獲得突變，使它們在沒有該分子的情況下仍能生存。

另一種選擇是通過將細菌封裝在防止細菌逸出的設(shè)備中來實現(xiàn)物理隔離。但是，到目前為止，已嘗試使用的材料（例如塑料和玻璃）效果不佳，因為它們會形成擴散屏障，從而阻止細菌與他們設(shè)計用來檢測的分子發(fā)生相互作用。

在這項研究中，研究人員決定嘗試將細菌傳感器封裝在水凝膠中。這些是可拉伸的材料，可以由多種不同的構(gòu)造塊形成。許多天然存在的水凝膠（例如藻類衍生的藻酸鹽）太脆弱，無法在室外環(huán)境中保護細胞。但是，趙的實驗室以前已經(jīng)開發(fā)出了一些非常堅韌的，可拉伸的水凝膠，研究人員認(rèn)為這些水凝膠可能適合封裝細菌。

為了制作保護球，研究人員首先將細菌和一些必需營養(yǎng)素嵌入藻酸鹽中。然后將這些球體涂以趙氏堅韌的水凝膠之一，該水凝膠由藻酸鹽和聚丙烯酰胺的組合制成。該外層具有直徑為5至50納米的孔，這些孔使諸如糖或重金屬之類的分子能夠通過。但是，DNA和較大的蛋白質(zhì)無法通過。

檢測污染

研究人員為這項研究構(gòu)建的球體直徑約為5毫米，可以攜帶多達10億個細菌細胞。研究人員使用這些球囊封裝了旨在檢測??重金屬鎘的大腸桿菌。

為了測試傳感器，研究人員將它們放入了從查爾斯河收集的水樣中。為了確定傳感器是否可以檢測到其球體內(nèi)部的污染物，研究人員在樣品中添加了鎘，并發(fā)現(xiàn)細菌可以準(zhǔn)確地檢測出污染物。研究人員還表明，細菌沒有從球體中逸出或泄漏任何遺傳物質(zhì)。

研究人員證明，他們的封裝技術(shù)還可以與另一種大腸桿菌菌株一起使用，該菌株被設(shè)計為依賴人工分子-一種自然界中不存在的氨基酸。

湯說：“我們正在嘗試提出一種解決方案，以查看我們是否可以將化學(xué)和物理遏制相結(jié)合。這樣，如果其中任何一個發(fā)生故障，另一個就可以進行檢查。”

在未來的研究中，研究人員希望在模擬真實環(huán)境的模型環(huán)境中測試傳感器。研究人員說，除了檢測環(huán)境污染物外，這種類型的傳感器還可以用于醫(yī)療應(yīng)用，例如檢測消化道出血。