氟化物、铅和杀虫剂等环境污染物存在于我们周围，甚至在我们体内。虽然研究人员有简单的方法来测量实验室环境中此类污染物的浓度，但在现场测试水平要困难得多。那是因为它们需要昂贵的专用设备。

最近在合成生物学方面的努力利用细胞生物传感器以具有成本效益和可现场部署的方式检测和报告环境污染物。即使取得了进展，科学家们仍在努力回答保护传感器组件免受提取样品中天然存在的物质的影响的问题。

西北大学一个由合成生物学家组成的跨学科团队正在开发一种传感器平台，该平台将能够检测真实世界样本中的一系列环境和生物目标。使用已建立的核糖开关来构建氟化物生物传感器，研究小组发现他们可以保护传感器，并通过将传感器封装在脂肪膜内来与细胞类似地操作。

在《科学进展》杂志上发表的一篇新论文中，研究人员证明，通过修改脂质双层膜的组成和穿透性，他们可以进一步调整和控制其传感器性能。

“正在产生如此多的数据，其中很多是由智能手表等健康应用程序驱动的，”西北大学麦考密克工程学院(McCormick School of Engineering)的共同通讯作者兼化学和生物工程教授朱利叶斯·勒克斯(Julius Lucks)说。

“我们可以感觉到我们的心跳，我们的温度，但如果你想一想，我们真的没有办法感知化学的东西。我们生活在一个信息时代，但我们所拥有的信息是如此微不足道——化学传感打开了你可以利用的巨大信息维度。

Lucks还是化学和生物工程系的副主任。他的实验室通过研究RNA及其在细胞中的作用，推进了该领域对响应环境变化的分子系统的理解;细胞如何使用RNA来感知其环境的变化;以及如何在无细胞系统中使用这些概念来监测健康和可持续性的环境。

无细胞合成生物学，其中工程生物分子系统用于激活生物机器而不是活细胞，具有吸引力，因为它高效，多功能和低成本。Lucks设计了一种核糖开关传感器，使用细菌细胞提取物为基因表达反应(包括荧光RNA或响应污染物而发光的蛋白质)提供动力，从而在几分钟内廉价地产生视觉输出。

Neha Kamat是McCormick生物医学工程助理教授，也是共同通讯作者，最初在他们的教师培训会上遇到了Lucks，并对他扩大信息获取的愿望感兴趣。Kamat的专长是工程膜和膜组装，她想知道她是否可以使用囊泡(一种两层膜)使Lucks的试管系统更好。

“他们正在使用RNA及其相关机制来感知真实水样中的分子并产生有意义的输出，”Kamat说。

“我的实验室大量研究通常用于封装mRNA以进行药物递送的脂质，目的是使用这些隔室来构建更多的细胞样结构。我们的想法是，我们可以保护Julius的开关，并允许它们在可能与其他污染物一起脏的样品中工作，就像细胞罐一样。

其他研究人员试图将传感器放置在膜内，但开关停止正常工作并产生更小的信号，因为很难将所有东西都装在小容器中然后放大。为了克服这个问题，研究小组修改了传感器中的基因输出以放大和着色它，因此肉眼可以看到它，“你不需要花哨的探测器来做到这一点，”Lucks说。

封装和保护对于传感器使其在原生环境中发挥作用非常重要，例如带有许多其他污染物侵蚀开关的废水通道。这将是“分布式传感”的一个例子，它可以帮助从农业到人类健康的领域。

当他们获得西北大学生命过程化学研究所(CLP)的Cornew创新奖时，该小组更正式地聚集在一起，向CLP的顾问委员会提出了他们的“潜在破坏性”想法。该团队获得了种子资金，以将他们的想法付诸实践。

Lucks称这个项目是一个“起点”，他们将能够将传感器嵌入到更多的材料中，包括可以改变特性的“智能”材料，就像生物学一样。

“作为合成生物学家，我们的主要主题之一是识别挑战和寻找自然，”Lucks说。“它已经在做什么了?我们能否在此基础上再接再厉，让它做更多的事情来满足我们的需求?

氟化物成为一个显而易见的选择，因为有一种天然的RNA分子可以感知它，使团队能够设计出更简单的机制。但在未来，Kamat和Lucks对传感器的使用可以扩展到何处有着很高的雄心壮志。

例如，传感器可以流经人体，在通过尿液或其他被动方法检索传感器之前检测小分子和生物标志物。它还可以检测土壤中的硝酸盐水平，并有助于监测径流。除此之外，Lucks和Kamat很高兴看到材料科学中的应用，例如软机器人，思考如何制造类似于蝴蝶的东西，通过它的脚闻起来。