MIT开发细菌传感系统，90米外即可读取信号，用于环境监测等领域

细菌可以通过基因工程来感知各种分子，例如污染物或土壤养分。然而，在大多数情况下，这些信号只能通过在显微镜或类似的敏感实验室设备下观察细胞来检测，这使得它们不适合大规模应用。

近日，麻省理工学院（MIT）的研究团队成功开发新型高光谱报告基因（Hyperspectral Reporters, HSRs），首次实现了对活体细菌基因表达的远距离、大范围光学检测。该技术通过工程化改造细菌代谢通路，使其在感知环境信号后产生具有独特光谱特征的分子标记物，结合高光谱成像技术，可在 90 米外实时监测细菌行为，单次成像覆盖面积达 4000 平方米。相关研究成果以题为“Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria”发表于 Nature Biotechnology，为环境监测、精准农业及生物安全领域提供了革命性工具。

传统基因报告系统（如绿色荧光蛋白 GFP）受限于检测距离与光谱分辨率，难以满足户外大规模应用需求。MIT 团队创新性地将合成生物学与遥感技术结合，建立了一套基于代谢物光谱特性的远程传感体系。研究人员通过量子力学计算筛选了来自 BKMS、MetaCyc 和 Rhea 数据库的 20,177 种天然代谢物，采用含时密度泛函理论（TD-DFT）预测其吸收光谱特征，最终选定胆绿素 IXα（Biliverdin IXα）与细菌叶绿素 a（Bacteriochlorophyll a）作为核心报告分子。这两种分子在可见-近红外光谱区（400-1000 nm）呈现多峰吸收特性，与自然环境背景形成显著差异，其 Wasserstein 光谱距离分别达到同类代谢物的前 0.3% 与 0.1%。

为实现精准的生物传感，研究团队构建了模块化基因回路系统。在土壤模式菌株恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）中，通过引入血红素加氧酶 BphO 与小分子结合蛋白 SmURFP 的双基因系统，实现了胆绿素 IXα 的高效合成与稳定积累；对于胶状红长命菌（Rubrivivax gelatinosus），则通过调控光捕获复合体调控蛋白 PpsR 的表达水平，动态控制细菌叶绿素 a 的产量。实验表明，该报告系统可与多种现有生物传感器兼容，当细菌检测到特定化学物质（如砷酸盐）或群体感应信号分子如 pC-HSL 时，HSR 分子浓度呈现剂量依赖性变化，动态响应范围达 250 倍，半数激活浓度（EC50）最低至 2.2 nM。

研究团队通过系列实验验证了 HSR 系统的远程检测性能。在实验室条件下，搭载 VNIR（可见-近红外）高光谱相机的检测平台可在 0.5 米距离识别 3.4×10⁵ CFU/mm² 的工程菌信号，检测限较传统单波长荧光检测提升两个数量级。更关键的是，在沙漠、农田及建筑屋顶等真实环境中，无人机载高光谱成像系统成功从 90 米高空捕捉到地表细菌的代谢信号。通过开发基于 Wasserstein 距离谱分解算法，研究人员能够从复杂背景噪声（如土壤有机质、植物叶绿素）中精准提取 HSR 特征光谱，在单幅 4000 m² 图像中实现>99% 的受试者工作特征曲线下面积（AUROC）。

该技术的应用前景已得到初步验证。在模拟农业场景中，携带氮素传感器的工程菌可实时反映土壤养分分布；在含砷污染区域，HSR 信号强度与污染物浓度呈显著正相关。值得注意的是，研究团队已将 HSR 系统与爆炸物检测回路耦合，在封闭实验中成功检测到地下 10 cm 处 TNT 类似物的扩散梯度。为推进技术转化，MIT 团队与美国环境保护署（EPA）、农业部（USDA）合作制定了风险评估框架，重点考察工程菌的环境适应性与基因水平转移风险。

尽管取得显著进展，HSR 技术仍需突破若干瓶颈。当前系统依赖环境光照强度，在<500 lux 条件下信号采集效率下降 40%；报告分子在户外环境中的半衰期为 77-90 小时，尚不能满足长期监测需求。对此，研究团队提出两阶段优化方案：一方面通过理性设计拓展报告分子的近红外吸收峰，开发适用于低光条件的第三代 HSR；另一方面拟将系统植入植物内生菌体系，利用宿主代谢网络延长信号分子稳定性。

这项研究标志着合成生物学与遥感技术的深度交叉融合。通过将细胞代谢工程、计算化学与计算机视觉算法结合，MIT 团队首次实现了活体微生物的广域光学追踪。该技术突破不仅为环境生物传感提供了新范式，更可能催生新型生态监测网络——未来，通过卫星集群与工程微生物的配合，人类或将实现全球尺度的实时生物地球化学循环观测。

1.Chemla, Y., Levin, I., Fan, Y. et al. Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria. Nat Biotechnol (2025).

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