• 環(huán)境監(jiān)測(cè)：利用合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的生物傳感器可以檢測(cè)環(huán)境中的污染物，如重金屬離子、有機(jī)污染物等。這些生物傳感器可以被整合到微生物中，使其在污染環(huán)境中生存并發(fā)出信號(hào)，幫助監(jiān)測(cè)和治理環(huán)境污染。

• 醫(yī)療診斷：合成生物學(xué)可以設(shè)計(jì)出能夠檢測(cè)疾病標(biāo)志物的生物傳感器，如檢測(cè)血液中的特定蛋白質(zhì)或核酸。這些生物傳感器可以被整合到便攜式設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)診斷。

• 農(nóng)業(yè)應(yīng)用：通過(guò)合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的生物傳感器可以檢測(cè)植物病原體或土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，幫助農(nóng)民及時(shí)采取措施，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
  

其中，細(xì)菌監(jiān)測(cè)器已被用于檢測(cè)環(huán)境中的各種信號(hào)，例如：能感應(yīng)TNT的細(xì)菌被用于探測(cè)地雷、記憶電路用于記錄糞便樣本中的水平基因轉(zhuǎn)移、記憶電路用于診斷尿糖等?？莶菅挎邨U菌是理想的“哨兵細(xì)胞”類型，可以在保持重組DNA完整性的同時(shí)存活數(shù)年。芽孢可以承受惡劣的條件，包括輻射、剪切應(yīng)力、高溫、高滲透壓、缺氧條件、真空和氧化應(yīng)激。

麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用基因工程改造的芽孢桿菌設(shè)計(jì)了智能生物傳感器“哨兵細(xì)胞”，來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的DNA序列，特別是人類DNA序列。這種技術(shù)有望在法醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)和流行病學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。他們?cè)O(shè)計(jì)的“哨兵細(xì)胞”將DNA攝取能力提高了3000倍，能夠在背景DNA中檢測(cè)到飛摩爾級(jí)別的目標(biāo)DNA。

研究者展示了單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞群體能夠同時(shí)記錄多個(gè)不同的DNA序列。通過(guò)構(gòu)建一個(gè)包含多個(gè)記錄器的細(xì)胞，或者通過(guò)構(gòu)建一個(gè)包含多個(gè)不同細(xì)胞的群體，每個(gè)細(xì)胞記錄不同的序列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)SNPs的同時(shí)記錄，并且在細(xì)胞內(nèi)被保護(hù)免受核酸酶的降解，即使在惡劣環(huán)境下也能保持?jǐn)?shù)周。這一結(jié)果發(fā)表在權(quán)威期刊《Nature Chemical Biology》上（文獻(xiàn)1）。

哨兵細(xì)胞基因組包含一個(gè)人類序列（藍(lán)色），該序列包圍著所需的SNP（黑色）。當(dāng)人類DNA從環(huán)境中獲取時(shí)，SNP（A）被記錄在基因組中，并且由于終止子（TT）的切除，基因（gfp）得以表達(dá)。五個(gè)人類DNA序列，包含與面部形態(tài)相關(guān)的SNP。

參考SNP等位基因列于括號(hào)中。標(biāo)簽a和b分別表示上游和下游同源臂（SNP本身包含在a中）。超活性枯草芽孢桿菌SCK6的示意圖，以及一組原生基因組編碼基因（虛線框），這些基因由主調(diào)控因子ComK的過(guò)表達(dá)（包括自身調(diào)節(jié)）激活。

下圖展示了作為“哨兵細(xì)胞”的超感受態(tài)枯草芽孢桿菌從環(huán)境中攝取DNA的原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

a，人類序列（a和b）被插入基因組。在攝取并整合包含表達(dá)盒兩側(cè)人類序列的外源DNA后，細(xì)胞發(fā)出熒光并對(duì)卡那霉素產(chǎn)生抗性。

b，數(shù)據(jù)顯示了SEQ1gfp/kan的攝取和記錄。其他四個(gè)序列的攝取情況顯示在擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1中?！癉NA記錄頻率”為Kanr+GFP+菌落形成單位 (cfu) 數(shù)除以菌落形成單位總數(shù)。

c，枯草芽孢桿菌S1-S5在木糖存在下對(duì)SEQ1gfp/kan-SEQ5gfp/kan的攝取數(shù)據(jù)。黑線為方程1的擬合曲線。

d，將枯草芽孢桿菌S1與相同的SEQ1gfp/kan質(zhì)?；蚓€性產(chǎn)物孵育，比較了環(huán)狀或線性DNA的攝取和整合情況。線性靶DNA序列上的同源臂a和b兩側(cè)分別連接了取自人類基因組的1kb序列（藍(lán)色虛線框）。

研究使用綠色熒光蛋白（GFP）和氯霉素抗性基因（camR）兩種報(bào)告基因，分別用于快速熒光檢測(cè)并提高靈敏度和特異性。這兩種報(bào)告基因的結(jié)合使用，使得研究者能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和記錄目標(biāo)DNA序列在哨兵細(xì)胞中的攝取和整合過(guò)程。

GFP被用于監(jiān)測(cè)哨兵細(xì)胞是否成功攝取并整合了含有特定SNP的目標(biāo)DNA序列。當(dāng)目標(biāo)DNA序列被整合到細(xì)胞基因組中后，GFP基因的表達(dá)被激活，細(xì)胞發(fā)出熒光，表明目標(biāo)DNA序列已被成功記錄。

camR基因用于提高檢測(cè)的靈敏度和特異性，通過(guò)選擇性培養(yǎng)基（含有氯霉素）篩選出成功記錄目標(biāo)DNA序列的細(xì)胞，從而提高了檢測(cè)的靈敏度。此外，camR基因的使用也減少了背景突變的干擾，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)中，Bacillus subtilis細(xì)胞被設(shè)計(jì)為在成功攝取并整合目標(biāo)DNA序列后表達(dá)GFP。通過(guò)檢測(cè)GFP的熒光信號(hào)，可以確定哪些細(xì)胞成功記錄了目標(biāo)DNA序列。使用ChemiDoc MP成像系統(tǒng)對(duì)培養(yǎng)皿進(jìn)行成像，以觀察和記錄熒光信號(hào)。這有助于篩選出成功表達(dá)GFP的細(xì)胞，從而確認(rèn)目標(biāo)DNA序列的攝取和整合。

平板中挑取菌落，并分析終止子的存在。菌落1和2來(lái)自-DNA平板（均為GFP陰性），菌落3和4來(lái)自+SEQ#平板（但為GFP陰性），菌落5-8來(lái)自+SEQ#平板，且為GFP陽(yáng)性。

Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)具有獨(dú)特的五通道熒光，波長(zhǎng)覆蓋從藍(lán)、綠、紅到近紅外，具備完整的分子成像功能，如核酸凝膠成像、蛋白凝膠成像、Western Blot化學(xué)發(fā)光成像、WesternBlot多色熒光成像、紅外熒光成像及免染成像，甚至具備切膠功能。ChemiDoc MP系統(tǒng)搭載了創(chuàng)新的CCD芯片及光學(xué)定焦鏡頭，保證了成像所必需的靈敏度與分辨率。

圖片來(lái)源：DOI: 10.1038/s41467-022-29065-2

* BIO-RAD是BIO-RAD LABORATORIES, INC. 在特定區(qū)域的商標(biāo)。

* 本產(chǎn)品僅用于科研用途，不用于臨床診斷。