“近年來，科學家們開發(fā)出許多工程細菌的菌株，它們可以作為傳感器來檢測如重金屬等的環(huán)境污染物。在自然環(huán)境中部署這些傳感器，可以跟蹤污染物如何隨時間變化。最近，麻省理工學院的工程師們設計出一種方法，通過將細菌傳感器包裹在堅硬的水凝膠殼中，防止它們流到環(huán)境中將轉(zhuǎn)基因傳播給其他有機體，還有助于保護傳感器免受環(huán)境破壞讓這種部署更加安全。這項新研究的負責人說, “現(xiàn)在有很多全細胞生物傳感器被研發(fā),但是在現(xiàn)實世界中應用它們?nèi)允且粋€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)。”

遏制有害交換

通過改造細菌，來表達出它們通常不具備的基因回路，研究人員可以使它們檢測到各種不同的分子。通常，這些電路的設計是為了讓目標檢測觸發(fā)來產(chǎn)生綠色熒光蛋白或生物熒光。還有一些回路，把事件的記憶記錄在細胞的DNA中。進入這些細菌的基因回路通常包括抗生素、耐藥性基因，這使研究人員確保他們的基因回路已經(jīng)正確地插入到細菌細胞中。然而，如果這些基因被釋放到環(huán)境中，可能是有害的。許多細菌和其他微生物能夠通過一種叫做水平基因轉(zhuǎn)移的過程來交換基因，甚至在不同物種之間也能進行。

為了防止這種基因交換，研究人員使用了一種叫做“化學遏制”的策略，包括設計細菌傳感器，這樣它們就需要一種在野外是無法獲得的人工分子。然而，在非常大的細菌種群中，有一小部分細菌可能會發(fā)生突變，使它們能夠在沒有這種分子的情況下存活下來。另一種選擇是“物理遏制”，通過將細菌封裝在一個裝置中來防止它們“逃跑”。但是迄今為止已經(jīng)嘗試過的材料，如塑料和玻璃，效果并不好，因為它們會形成擴散屏障，阻止細菌與它們設計用來檢測的分子相互作用。

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。這些是有彈性的材料，可由各種不同的建筑材料組成。許多天然存在的水凝膠，如從藻類中提取的海藻酸鹽，在室外環(huán)境中過于脆弱，無法保護細胞。實驗室之前已經(jīng)開發(fā)出一些非常堅韌且有彈性的水凝膠，研究人員認為這種凝膠可以用來包裹細菌。為了制造這種保護球，研究人員首先將細菌和一些必需的營養(yǎng)物質(zhì)嵌入藻酸鹽中。然后在這些球上涂上一種堅韌水凝膠，這種水凝膠是由海藻酸鹽和聚丙烯酰胺合成的。外層有直徑從5到50納米不等的孔，允許糖或重金屬等分子通過，DNA和更大的蛋白質(zhì)通過不了。

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。研究人員用這些球包裹大腸桿菌，這些大腸桿菌可以用來檢測重金屬鎘。為了測試傳感器，研究人員將它們放置在查爾斯河的水樣中，研究人員在樣本中添加了鎘，發(fā)現(xiàn)細菌可以準確地檢測到球體內(nèi)的污染物。研究人員說，這種細菌沒有從球體中逃逸出來，也沒有泄露任何遺傳物質(zhì)。

同時，研究人員證明，他們的包封技術也適用于另一種大腸桿菌菌株，這種菌株被設計成依賴于一種人工分子——一種自然界中沒有的氨基酸。“我們正在研究新的解決方案，看看能否將化學和物理遏制相結(jié)合。這樣一來，如果其中一個失敗了，另一個可以起作用。”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。研究人員表示，除了檢測環(huán)境污染物外，這種類型的傳感器還可能用于比如檢測消化道出血等醫(yī)療應用。

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