麻省理工學院的工程師設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：麻省理工學院的Christine Daniloff

近年來，科學家開發(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家追蹤污染物水平在整個地理區(qū)域內隨時間的變化。

麻省理工學院的工程師們現(xiàn)在已經設計出一種方法，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)實世界中應用它們是一個挑戰(zhàn)，因為我們不希望任何轉基因生物能夠與野生型微生物交換遺傳物質，”麻省理工學院的研究生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。

麻省理工學院電氣工程與計算機科學與生物工程學副教授蒂莫西·盧（Timothy Lu）和麻省理工學院機械工程與土木與環(huán)境工程學教授趙選河是該研究的高級作者，該研究今天發(fā)表在《自然化學生物學》上。與Tang一起的Eleonore Tham博士 '18和麻省理工學院研究生劉欣悅（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，對電路進行設計以使對靶標的檢測觸發(fā)綠色熒光蛋白的產生或生物發(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“化學遏制”的策略，該策略涉及設計細菌傳感器，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開發(fā)出了一些非常堅韌的，可拉伸的水凝膠，研究人員認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和較大的蛋白質無法通過。

檢測污染

研究人員為這項研究構建的球體直徑約為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。

研究人員證明，他們的封裝技術還可以與另一種大腸桿菌菌株一起使用，該菌株被設計為依賴人工分子-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和物理遏制相結合。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)療應用，例如檢測消化道出血。