“近年來，科學家們開發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境污染物。在自然環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，防止它們流到環境中將轉基因傳播給其他有機體，還有助于保護傳感器免受環境破壞讓這種部署更加安全。這項新研究的負責人說, “現在有很多全細胞生物傳感器被研發,但是在現實世界中應用它們仍是一個挑戰，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。”

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來產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正確地插入到細菌細胞中。然而，如果這些基因被釋放到環境中，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，在室外環境中過于脆弱，無法保護細胞。實驗室之前已經開發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物質嵌入藻酸鹽中。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，發現細菌可以準確地檢測到球體內的污染物。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。

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境的模型環境中測試傳感器。研究人員表示，除了檢測環境污染物外，這種類型的傳感器還可能用于比如檢測消化道出血等醫療應用。

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