在检测环境中的污染物时，对速度的需求是显而易见的。生物传感器可以检测各种分子，这些分子会触发色素蛋白的合成，进而产生光信号。然而，依赖于蛋白质表达的传感器需要长达半小时才能生成本质上难以检测的光学信号。更快的生物传感器对于修复至关重要。

莱斯大学的研究人员对细菌进行了工程改造，并将它们连接到电极上，以制造出能够在几分钟内检测出污染物的生物电子传感器。莱斯大学生物科学教授CarolineAjo-Franklin博士和JonathanSilberg博士是资深作者，JoshuaAtkinson博士和LinSu博士是该研究的主要作者，该研究于11月发表在《自然》杂志上2.

研究结果表明，细菌细胞可以通过编程产生可检测的电流，以响应特定化学污染物的存在。此外，这些生物传感器可以在监测河流、农场、工业和废水处理厂时从环境中获取能量来为自己供电，以确保水体的安全和保障。

(相关资料图)

研究人员使用常见的大肠杆菌通过对合成电子传输链进行编程来产生化学感应电流。

“我认为这是迄今为止建立的最复杂的实时信号转导蛋白质通路，”Silberg说。“这条链有八个控制电子流动的组件，但还有其他组件可以构建进入分子的电线。有十几个半成分和近30种金属或有机辅助因子。与我们的线粒体呼吸链之类的东西相比，这个东西是巨大的。”

“它实际上是一个微型电气开关，”Ajo-Franklin说。“你将探头放入水中并测量电流。就这么简单。我们的设备是不同的，因为微生物被封装了。我们不会将它们释放到环境中。”

科学家遇到的挑战之一是将细菌附着在电极上。“它们不会自然地粘在电极上，”Ajo-Franklin说。“我们使用的是不形成生物膜的菌株，所以当我们加水时，它们就会脱落。”

为了解决这个问题，Ajo-Franklin实验室的博士后研究员和该研究的共同作者XuZhang博士将传感器封装在惰性琼脂糖护套中，该护套允许污染物进入但将传感器固定到位，从而减少了噪音。

在他们的原型中，研究人员设计的细菌传感器可以在两分钟内检测到硫代硫酸盐。硫代硫酸盐用于水处理，会导致藻类大量繁殖。他们在从加尔维斯顿海滩、休斯顿的Brays和Buffalobayous收集的水中测试了他们最初的设备。活传感器能够检测到低于0.25毫摩尔/升的硫代硫酸盐，这远低于对鱼类有毒的水平。

在另一种设计中，研究人员对大肠杆菌进行编程以检测内分泌干扰物4-羟基三苯氧胺(4-HT)。当Su在封装的生物传感器中加入定制合成的导电纳米颗粒时，信号会大大增强。使用生物传感器，研究人员能够在三分钟内检测出城市水道样本中的内分泌干扰物——比早期最先进的设备快十倍。

在其他潜在应用中，Silberg认为工程微生物在未来可以监测肠道微生物群、检测病毒和改善污水处理厂。

“对于那些瞬态脉冲，实时监控变得非常重要，”Silberg说。“而且因为我们种植了这些传感器，所以它们的制造成本可能非常低。”

Silberg的团队正在与莱斯化学和生物分子工程教授RafaelVerduzco博士、贝克研究所高级研究员KirstinMatthews博士和莱斯土木与环境工程助理教授LaurenStadler博士合作，开发真正的-时间废水监测。