想象這樣一個(gè)場(chǎng)景，一架無(wú)人機(jī)緩緩飛過(guò)一片廣袤的農(nóng)田，短短幾十秒內(nèi)，它的鏡頭拍下了這樣的畫面——有些土地在特定波段的光下泛出淡淡的綠色，而另一些則透出詭異的紅光。農(nóng)民看著這張照片，馬上知道哪里缺乏養(yǎng)分了。

通過(guò)無(wú)人機(jī)拍照來(lái)看守農(nóng)田（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

這是一項(xiàng)來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的前沿研究，核心技術(shù)是高光譜報(bào)告分子。它讓細(xì)菌第一次具備了遠(yuǎn)距離反饋信息的能力，從土壤營(yíng)養(yǎng)、重金屬污染到微生物生態(tài)狀態(tài)，通通可以通過(guò)“發(fā)光的細(xì)菌”進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

但這到底是怎么實(shí)現(xiàn)的？細(xì)菌為何能發(fā)光？這些高光譜信號(hào)又是如何被無(wú)人機(jī)讀取的？

細(xì)菌為什么能發(fā)光？

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這些細(xì)菌并不是真的在發(fā)光——它們不是螢火蟲那種能在黑夜中發(fā)出肉眼可見(jiàn)光的生物。而是它們生產(chǎn)出一種具有獨(dú)特光譜吸收特征的色素分子，能夠在自然光照下改變反射光，從而在高光譜成像設(shè)備中顯現(xiàn)出來(lái)。這類色素就被稱為高光譜報(bào)告分子（HSRs）。

我們熟知的綠色熒光蛋白（GFP）等傳統(tǒng)發(fā)光工具，在實(shí)驗(yàn)室里的確非常好用，但這種方法的有效距離短，大多依賴于激光激發(fā)，探測(cè)范圍往往不超過(guò)幾米。所謂激發(fā)光，就是指用特定波長(zhǎng)的光照射熒光分子，使其躍遷至高能態(tài)，從而在返回基態(tài)時(shí)釋放出可見(jiàn)光的過(guò)程。如果想要遠(yuǎn)距離如幾十米、上百米查看一大片土地或森林中細(xì)菌的活動(dòng)情況，GFP就無(wú)能為力了。

高光譜成像是一種能夠看見(jiàn)上百個(gè)波長(zhǎng)上的反射光強(qiáng)度的技術(shù)，它不只是一張彩色照片，而是每一個(gè)像素都有自己的光譜指紋。研究人員想出的妙招是，設(shè)計(jì)一種細(xì)菌，它能在特定條件下合成具有獨(dú)特光譜吸收特征的色素分子。一旦這些色素在細(xì)菌體內(nèi)產(chǎn)生，它們會(huì)吸收自然光中特定波段的光，從而使被細(xì)菌覆蓋的那一塊土壤或沙地，在高光譜成像圖中呈現(xiàn)出不同尋常的顏色指紋。

最優(yōu)發(fā)光分子，膽綠素與細(xì)菌葉綠素

這次研究中，科學(xué)家先從兩個(gè)角度來(lái)篩選“最優(yōu)HSR”，一是光譜的獨(dú)特性，越不容易跟背景中其他成分顏色相近，也就越容易識(shí)別；二是合成的簡(jiǎn)便程度，需要的代謝步驟越少，在細(xì)菌中越容易表達(dá)。

最終篩選出的兩種分子分別是，膽綠素 IXα（Biliverdin IXα），一種來(lái)源于血紅素代謝的綠色色素，也能作為紅外熒光蛋白的底物，具有鮮明的可見(jiàn)-近紅外吸收峰；另一種是細(xì)菌葉綠素a（Bacteriochlorophyll a），廣泛存在于光合細(xì)菌中，吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)864納米，極易被高光譜相機(jī)捕捉。

膽綠素 IXα與細(xì)菌葉綠素a分子結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

通過(guò)合成生物學(xué)手段，科學(xué)家將這些色素合成路徑嵌入到土壤細(xì)菌 Pseudomonas putida 和水生細(xì)菌 Rubrivivax gelatinosus 中，打造出可響應(yīng)信號(hào)并在高光譜圖像中“發(fā)聲”的活體探測(cè)器。

這些發(fā)光細(xì)菌能做什么，從實(shí)驗(yàn)室到田野的實(shí)際應(yīng)用

高光譜報(bào)告分子的價(jià)值，遠(yuǎn)不止于能發(fā)出獨(dú)特光譜這么簡(jiǎn)單。研究團(tuán)隊(duì)首先在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)這些經(jīng)過(guò)基因設(shè)計(jì)的細(xì)菌進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。他們分別將產(chǎn)膽綠素的 Pseudomonas putida 和產(chǎn)細(xì)菌葉綠素的 Rubrivivax gelatinosus 培養(yǎng)在瓊脂、沙盤或土壤中，用高光譜相機(jī)從不同距離進(jìn)行成像。結(jié)果顯示，兩種細(xì)菌都能在自然光照條件下表現(xiàn)出清晰、可識(shí)別的光譜特征。

這一系統(tǒng)的另一個(gè)亮點(diǎn)，是它的模塊化設(shè)計(jì)。高光譜色素的合成路徑與上游的感應(yīng)元件之間是“插拔式”連接，只要更換感應(yīng)模塊，就能讓同一細(xì)菌響應(yīng)不同的化學(xué)或環(huán)境信號(hào)。例如，研究人員將一種細(xì)菌信號(hào)分子“對(duì)香豆酰高絲氨酸內(nèi)酯”（pC-HSL）作為感應(yīng)對(duì)象，構(gòu)建了可響應(yīng)其存在的膽綠素合成通路。實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)谏潮P中埋下一小片含pC-HSL的濾紙，然后噴灑改造后的細(xì)菌。不久后，這些細(xì)菌便在感應(yīng)到信號(hào)后合成膽綠素，生成光譜信號(hào)。無(wú)人機(jī)或固定相機(jī)捕捉到的圖像中，出現(xiàn)了一圈發(fā)光的擴(kuò)散區(qū)——科學(xué)家由此還原出信號(hào)在土壤中擴(kuò)散的過(guò)程，甚至能通過(guò)擬合公式計(jì)算出擴(kuò)散的速率和響應(yīng)時(shí)間，顯示系統(tǒng)在3小時(shí)內(nèi)即可探測(cè)反應(yīng)，半峰值響應(yīng)時(shí)間約為7.8小時(shí)。

而在另一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓細(xì)菌響應(yīng)一種長(zhǎng)鏈群體感應(yīng)信號(hào)分子（3OH-C14-HSL），并通過(guò)構(gòu)建基因反相門來(lái)控制細(xì)菌葉綠素的合成，從而建立起一個(gè)更為復(fù)雜的邏輯回路。這套系統(tǒng)被測(cè)試于更遠(yuǎn)距離，細(xì)菌先在實(shí)驗(yàn)室中誘導(dǎo)表達(dá)，之后被鋪灑在非無(wú)菌沙土中，再由無(wú)人機(jī)從54米的高空拍攝圖像。結(jié)果顯示，即使在這類戶外復(fù)雜背景中，系統(tǒng)依然能精準(zhǔn)區(qū)分不同濃度下的光譜信號(hào)，響應(yīng)范圍可達(dá)250倍。如果再進(jìn)一步將相機(jī)架設(shè)在9層樓高的建筑屋頂，從90米外捕捉圖像，也能在4000平方米的范圍內(nèi)分辨信號(hào)差異，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)99%。

沙地中3OH-C14-HSL的檢測(cè)結(jié)果（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這些成功案例充分說(shuō)明，高光譜報(bào)告分子不僅能夠在受控實(shí)驗(yàn)環(huán)境中工作，在復(fù)雜甚至臟亂的真實(shí)場(chǎng)景中同樣穩(wěn)定可靠。

總結(jié)

高光譜報(bào)告分子為我們打開了一扇觀察環(huán)境的新窗口。通過(guò)將可感知土壤情況的基因線路植入微生物體內(nèi)，科學(xué)家打造出了一種無(wú)需電力、能響應(yīng)多種信號(hào)、可遠(yuǎn)程讀取的生物哨兵系統(tǒng)。它不只是合成生物與遙感技術(shù)的一次巧妙融合，更是我們監(jiān)測(cè)土地方式的一次躍遷。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chemla, Yonatan, et al. "Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria." Nature Biotechnology (2025): doi: 10.1038/s41587-025-02622-y. Online ahead of print..

[2] Zhang, Jin, et al. "Creating new fluorescent probes for cell biology." Nature reviews Molecular cell biology 3.12 (2002): 906-918.

[3] Yagi, Kiyohito. "Applications of whole-cell bacterial sensors in biotechnology and environmental science." Applied microbiology and biotechnology 73.6 (2007): 1251-1258.

作者丨Denovo科普?qǐng)F(tuán)隊(duì)（褚宏偉博士 湖南師范大學(xué)碩士生導(dǎo)師）

審核丨趙寶鋒博士 遼寧生命科學(xué)學(xué)會(huì)

來(lái)源: 科普中國(guó)創(chuàng)作培育計(jì)劃

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