细菌传感器在触发时会发出一阵电流

当你用锤子敲击手指时，你会立即感到疼痛。你立即做出反应。

但是，如果在击中后 20 分钟疼痛怎么办?到那时，伤势可能更难愈合。

莱斯大学的科学家和工程师说，环境也是如此。如果河流中的化学品泄漏在20分钟内没有被注意到，那么补救可能为时已晚。

他们活的生物电子传感器可以提供帮助。由莱斯大学合成生物学家Caroline Ajo-Franklin和Jonathan (Joff) Silberg以及主要作者Josh Atkinson和Lin Su领导的研究小组都是莱斯大学的校友，他们设计了细菌来快速感知和报告各种污染物的存在。

他们在《自然》杂志上的研究表明，这些细胞可以被编程来识别化学入侵者，并通过释放可检测的电流在几分钟内报告。

据研究人员称，这种“智能”设备可以通过在环境中清除能量来为自己供电，因为它们监测河流，农场，工业和废水处理厂等环境中的条件，以确保水安全。

这些自我复制的细菌传达的环境信息可以通过替换产生传感器信号的八组分合成电子传递链中的单个蛋白质来定制。

“我认为这是迄今为止建立的最复杂的实时信号传导蛋白质途径，”赖斯系统，合成和物理生物学博士项目主任Silberg说。“简单地说，想象一下一根导线，引导电子从细胞化学物质流向电极，但我们在中间折断了导线。当目标分子撞击时，它会重新连接并通电整个途径。

“这是一个微型电气开关，”Ajo-Franklin说。

“你把探头放进水里，测量水流，”她说。“就是这么简单。我们的设备是不同的，因为微生物是封装的。我们不会将它们释放到环境中。

研究人员的概念验证细菌是大肠杆菌，他们的第一个目标是硫代硫酸盐，一种用于水处理的二氯剂，可导致藻类大量繁殖。还有方便的水源可以测试：加尔维斯顿海滩和休斯顿的布雷斯，以及布法罗湾。

他们从每个人那里收集水。起初，他们将大肠杆菌附着在电极上，但微生物拒绝留在原地。“它们不会自然地粘在电极上，”Ajo-Franklin说。“我们使用的菌株不会形成生物膜，所以当我们加水时，它们会脱落。

当这种情况发生时，电极传递的噪声多于信号。

招募了合著者，Ajo-Franklin实验室的博士后研究员Xu Zhang，他们将传感器封装成棒棒糖形状的琼脂糖中，允许污染物进入，但将传感器固定到位，从而降低噪音。

“徐的背景是环境工程，”Ajo-Franklin说。“她没有进来说，'哦，我们必须修复生物学。她说，'我们能用这些材料做什么?在材料方面进行了伟大的创新工作，使合成生物学大放异彩。

在物理限制下，实验室首先编码大肠杆菌以表达仅在遇到硫代硫酸盐时才产生电流的合成途径。这种活体传感器可以感应到这种化学物质，每升不到0.25毫摩尔，远低于对鱼类有毒的水平。

在另一项实验中，记录了大肠杆菌感知内分泌干扰物。这也工作得很好，当由Su定制合成的导电纳米颗粒与琼脂糖棒棒糖中的细胞封装时，信号大大增强。研究人员报告说，这些封装的传感器检测这种污染物的速度比以前最先进的设备快10倍。

这项研究开始于偶然，当时伯克利劳伦斯国家实验室Ajo-Franklin小组的Atkinson和Moshe Baruch在2015年芝加哥的合成生物学会议上彼此相邻，他们很快意识到海报概述了同一想法的不同方面。

“因为我们的姓氏，我们有相邻的海报，”阿特金森说。“我们在海报会议的大部分时间里都在谈论彼此的项目，以及我们在将电池与电极和电子作为信息载体的接口方面如何产生明显的协同作用。

“乔希的海报上有我们的第一个模块：如何获取化学信息并将其转化为生化信息，”Ajo-Franklin回忆道。摩西有第三个模块：如何获取生化信息并将其转化为电信号。

“问题是如何将它们连接在一起，”她说。“生化信号有点不同。

“我们说，'我们需要聚在一起讨论这个问题!'”西尔伯格回忆道。在六个月内，新的合作者获得了海军研究办公室的种子资金，随后获得了一笔赠款，以发展这个想法。

“Joff的小组带来了蛋白质工程和一半的电子转移途径，”Ajo-Franklin说。“我的小组带来了另一半电子传输途径和一些材料的努力。这次合作最终将 Ajo-Franklin 本人于 2019 年作为 CPRIT 学者带到赖斯。

“我们必须把这么多功劳归功于林和乔希，”她说。“他们从未放弃过这个项目，而且它具有令人难以置信的协同作用。他们会来回交换想法，通过这种交流解决了很多问题。

“每一个学生都可以花数年时间，”西尔伯格补充道。

“乔希和我都花了几年的博士学位来研究这个问题，带着毕业并进入我们职业生涯的下一个阶段的压力，”苏说，他是Ajo-Franklin实验室的访问研究生，从中国东南大学毕业后。“我不得不多次延长签证才能留下来并完成研究。

Silberg说，该设计的复杂性远远超出了信号通路。“链有八个控制电子流的组件，但还有其他组件可以构建进入分子的导线，”他说。“有十几种半成分，有近30种金属或有机辅助因子。与我们的线粒体呼吸链相比，这个东西是巨大的。

所有人都归功于合著者George Bennett，赖斯的E. Dell Butcher名誉教授和生物科学研究教授的宝贵帮助，建立了必要的联系。

西尔伯格说，他认为工程微生物在未来将执行许多任务，从监测肠道微生物组到感知病毒等污染物，从而改进在大流行期间对废水厂进行SARS-CoV-19测试的成功策略。

“对于这些瞬态脉冲，实时监测变得非常重要，”他说。“而且因为我们种植这些传感器，它们的制造成本可能相当便宜。

为此，该团队正在与莱斯大学化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程教授Rafael Verduzco合作，他最近与Ajo-Franklin，Silberg，生物科学家Kirstin Matthews以及土木和环境工程师Lauren Stadler合作开发实时废水监测。

“我们可以用拉斐尔制造的材料类型将其提升到一个全新的水平，”Ajo-Franklin说。

西尔伯格说，赖斯实验室正在制定设计规则，以开发模块化传感器库。“我希望当人们读到这篇文章时，他们认识到机会，”他说。

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