萊斯大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種能夠“看穿”土壤的氣體生物傳感器，能夠讓科研人員追蹤土壤中微生物群落的行為。
    發(fā)表在美國化學學會期刊《環(huán)境科學和技術(shù)》的論文中，萊斯研究團隊使用釋放出鹵代甲烷氣體的基因工程細菌，在實驗室監(jiān)測土壤樣本中微生物的基因表達。
    利用合成生物技術(shù)對該細菌進行基因編輯使其釋放出氣體，當細菌通過基因水平轉(zhuǎn)移進行DNA交換時（基因水平轉(zhuǎn)移在生物進化過程中有著獨特的作用，生物通過這個過程無需親子關(guān)系就能夠分享遺傳性狀），這種氣體能夠發(fā)出報告。這種生物傳感器能夠讓研究人員實時監(jiān)控這個過程，無需時時刻刻盯住土壤樣本。
    萊斯大學的研究人員希望他們的技術(shù)對于有著同樣研究目的的環(huán)境科學家有所幫助，他們利用熒光報告蛋白追蹤生物系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)表達和其它過程。
    這項工作是由萊斯大學實驗室的生物地球化學家卡洛琳 馬謝洛，生物化學家喬納森 西爾伯格，微生物學家喬治 班尼特和萊斯大學研究生論文主要作者Hsiao-Ying (謝利) Cheng共同承擔的，是W.M.凱克基金會100萬美元資助項目中首個產(chǎn)品，一種氣體微生物傳感器。
    “本文介紹了一種新的工具，用于研究微生物如何在環(huán)境中進行遺傳物質(zhì)的交換，” 地球?qū)W教授馬謝洛說。
    “我們關(guān)注這個問題是因為，水平基因轉(zhuǎn)移過程控制了對人類來說很多重要的事情，或者是好的方面，根瘤菌如何交換它們所需的基因來固氮和支持植物生長，或者是壞的方面，細菌如何在土壤中交換耐抗生素，”她說。“在過去，在真實的土壤中建立這種動態(tài)過程模型，以及研究水平基因交換在不同土壤類型中如何變化，是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。我們創(chuàng)造了一套新的工具實現(xiàn)了我們的研究目標。”
    研究人員預(yù)計，科學家將在實驗室中使用氣體生物傳感器來研究農(nóng)業(yè)中的氮固定，污水處理中的抗生素交換，營養(yǎng)素缺乏的條件下的基因轉(zhuǎn)移以及土壤中基因表達與溫室氣體釋放之間的關(guān)系。
    “還有其他的技術(shù)會以這項技術(shù)為參考，” 生物化學和細胞生物學副教授西爾伯格說。使用氣體的想法讓我們對基因編碼有了深層次的了解。但是，我們在一些技術(shù)細節(jié)上還需進一步的提升。”
    他說釋放和傳感鹵代甲烷氣體代表了一個簡單的概念證明。“現(xiàn)在，我們想利用合成生物技術(shù)，通過創(chuàng)造更加復(fù)雜的遺傳程序，獲取其他類型生物學現(xiàn)象的細節(jié)信息，”西爾伯格說。
    他們預(yù)計將會很快進行農(nóng)業(yè)土壤樣本的測試，通過有效的灌溉和施肥，幫助作物的生長進行微調(diào)。“農(nóng)業(yè)如何在沒有浪費的情況下，達到效率的提升？很多人都提到了這一點，解決的辦法有很多，”他說。“我們正在開發(fā)高科技工具，讓我們通過了解生物學現(xiàn)象的機制來做出可靠的預(yù)測。對這些工具的改進和提升是一件耗時的工作。”
    研究人員強調(diào)，這些工具都是用于實驗室環(huán)境中的土壤研究。一旦獲得研究結(jié)果，這些合成的微生物就被破壞了。
    當它們與另一種微生物進行DNA轉(zhuǎn)移時，將被編輯的大腸桿菌添加入釋放氣體之后，萊斯實驗室在位于密歇根的國家科學基金會的凱洛格生物站長期生態(tài)研究基地測試土壤樣本。從氣體中發(fā)出的信號是實驗室的檢測極限10000倍。
    與綠色熒光蛋白不同，氣體傳感器在缺氧和貧氧條件下也是有效的，綠色熒光蛋白必須在有氧條件下工作。可以預(yù)料的是，報告蛋白可用于多種土壤微生物，其中的一部分目前正在進行測試，班尼特說。