微生物传感器提供环境的非破坏性快照

莱斯大学科学家开发的基因“精灵”通过土壤中的气体给予研究人员有关微生物的宝贵数据。最新版本是一个强大的两阶段微生物传感器，将帮助生物工程师，地质生物学家和其他研究人员观察基因表达和营养物质在土壤和沉积物等环境的实验室传真中的生物利用度，而不会打扰他们。

该气体由基因工程的微生物产生，以报告其环境和活性，并在所包含的实验室实验中混合到土壤样品中。一种渗出的气体告诉研究人员有多少目标微生物存在，另一种气体告诉研究人员微生物在做什么。最终，赖斯团队希望编程的微生物能够揭示他们是否以及如何相互沟通。

有关传感器的详细信息见美国化学学会期刊ACS Synthetic Biology。

正在进行的研究始于2015年，由WM Keck基金会拨款100万美元，由赖斯合成生物学家Jonathan Silberg，生物地球化学家Caroline Masiello和研究生以及主要作者Hsiao-Ying(Shelly)Cheng领导。他们的目标是测量不透明环境中的生物活性，特别是那些改变环境会改变结果的环境。

西尔伯格说，新的气体发射微生物的运作原理与含有两种荧光蛋白的原理相同;例如，绿色荧光蛋白会标记培养皿中的所有细胞，当被微生物活动触发时，红色荧光蛋白会点亮，如蛋白质表达或特定分子的接近。

“在那些系统中，你可以检查绿色与红色的比例，并且平均知道细胞正在做什么，”他说。“但这在土壤中不起作用。”

目前，研究人员通过研磨样品和使用高效液相色谱等工艺来测量土壤中的微生物活性，以量化其含量。这不仅消除了随着时间的推移研究相同样本的机会，也限制了数据的范围。

“我们的系统回答了正确的问题，”Masiello说。“微生物是否知道这些化合物存在，它们对它们的反应是什么?”

在莱斯实验室的比例公制系统中，从改良的大肠杆菌或其他微生物中产生的气体可以帮助科学家测量土壤的发育。比率度量意味着气体的输出与输入成正比，在这种情况下是微生物感知的活动水平。

在一个测试中，修饰大肠杆菌以表达合成乙烯和溴甲烷的酶。细菌连续制造乙烯，这使研究人员能够监测微生物种群的大小，但在这种情况下，只有酰基高丝氨酸内酯(AHL)的生物利用度才能生成溴甲烷，这些分子促进了细菌之间的信号传导。

在将大肠杆菌置于农业土壤中并设定温度以使气体信号最大化之后，她发现添加短链和长链AHL不会影响乙烯产量，但会显着影响溴甲烷。短链AHL的最高浓度使溴甲烷信号增加了一个数量级以上，而长链AHL几乎增加了两个数量级。

对另一种细菌Shewanella进行测试，其原生栖息地为沉积物，表现出同样强劲的结果。“用Shelly建造的感应化学品的动态范围非常好，”Silberg说。“它将随着生物体而变化，但合成生物学实际上就是在调整所有这些。”

“这项工作特别有用的方面是有可能区分海洋或土壤环境中可化学萃取的物质和微生物所感知的物质，”Masiello说。“只是因为我们可以研磨土壤并测量某些东西并不意味着植物或微生物知道那里有什么。这些工具是我们第一次能够测量微生物对环境的感知。“

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