《Current Opinion in Biotechnology》：Microbial spies and bloggers: programming cells to convert environmental information into discernible signals
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微生物通过环境理化特性调控动态行为，可作为传感器用于土壤、废水等难成像环境。本文综述了基于电化学、色谱、光谱和测序技术的报告器创新，以及通过宏基因组挖掘和酶开关设计提升传感特异性。分布式微生物传感在环境监测中展现潜力，需同步推进技术优化与监管框架现代化。
Dorsa Sattari Khavas|Samuel K Schwartz|Presley Bird|Albert Truong|Jonathan J Silberg
美国莱斯大学化学与生物分子工程系，MS-362，6100 Main Street，休斯顿，TX 77005
微生物利用其环境的化学和物理特性来调节自身的动态行为。它们能够将持续的物理化学信息转化为生化信息，并利用环境中的有机物作为能源，这使得这些生物成为构建传感器的理想选择。然而，大多数生物传感器在难以成像的环境中（如土壤、沉积物和废水）应用时存在严重限制。生物分子设计、微生物组工程和合成生物学交叉领域的新兴技术为在这些环境中编程细胞和微生物群作为生物传感器提供了新的工具。在这篇综述中，我们描述了生物传感器输出方面的创新，这些创新使得它们能够在复杂环境中得到应用，包括使用电化学、气相色谱、高光谱成像和下一代测序方法进行读取的报告蛋白。我们还讨论了计算技术的进步，这些技术通过挖掘宏基因组数据来发现新的转录调节因子，并设计能够直接通过分析物调节报告蛋白输出的别构蛋白开关，从而加速了传感组件的多样化。我们强调了编程野生微生物在环境中作为分布式传感器使用的新兴机会。最后，我们讨论了负责任地开发生物传感器的必要性，以及更新监管框架以支持基于证据的生物传感器评估。
章节摘录
叙述
微生物几乎存在于地球上的每一个生态位中[1]，从土壤、地下水、深矿到大气、湖泊和海洋，甚至延伸到建筑环境。在这些环境中，微生物能够在极其多样的生物（例如群落组成）、化学（例如营养物质、污染物和毒素）和物理（例如聚集、质地和水分势）条件下生存[2]。这种在多种环境中生长的能力促进了……
设计生物传感器时需要考虑的参数
自然界中存在大量能够将环境中的化学信息转化为细胞内生化信息的蛋白质，某些蛋白质传感器家族占微生物组中所有编码序列的1%以上[12]。虽然可以将野生传感器蛋白与绿色荧光蛋白等视觉输出相结合来创建生物传感器[13, 14]，但要设计出具有用户定义的分析物特异性和适用于多种操作环境的输出仍然具有挑战性。复杂环境中的报告方法
环境生物传感器中使用的报告蛋白可以分为四类（图2）。大多数生物传感器将分析物检测与荧光[21]、发光[22]和色素生成蛋白[23]的合成相结合。这些视觉报告蛋白对于制定生物传感器中调控组件的设计规则非常有用[24, 25, 26]，尽管在不透明环境中通常难以检测到它们。为了在难以成像的环境中实现报告功能，已经开发了相应的设备环境生物传感器的传感器组件
报告蛋白的产生动力学取决于实现传感的机制。大多数生物传感器利用缓慢的转录过程来调节输出（图3）。例如，别构转录因子被广泛用于传感，如AraC/XylS、LacI、MerR、OxyR、TetR和LysR家族的蛋白质[39]。迄今为止，已经发现了对环境污染物、金属离子以及C、N、S和P族中间体具有特异性的传感器组件在微生物和微生物群中存储感知信息
某些分析物在环境中表现出复杂的时空动态，其浓度会出现短暂峰值。在感知这些分析物时，可能需要能够长时间保留分析物检测信息的生物传感器[60]。为了存储感知信息，已经开发了几种基因工程方法，这些方法使微生物能够通过将信息写入DNA和RNA来记录它们的感知体验。位点特异性的重组酶可以翻转或切除DNA展望
分布式环境传感在COVID-19大流行期间极大地提升了我们监测病毒的能力[72]，但这种传感过程既费力又昂贵[73, 74]。环境生物传感器有望通过提供关于小分子毒素以及病原体和病毒的大分子特征的真实时间信息，简化并扩展水生环境中的传感能力[75]。预计环境电化学（EET）生物传感器在这些环境中将特别有用，因为它们可以用作……CRediT作者贡献声明
Dorsa Sattari Khavas：概念构思、可视化、项目管理、初稿撰写、审稿与编辑。Samuel K Schwartz：概念构思、可视化、项目管理、初稿撰写、审稿与编辑、资金筹集。Presley Bird：概念构思、可视化、项目管理、初稿撰写、审稿与编辑。Albert Truong：概念构思、可视化、项目管理、撰写——
利益冲突声明
作者没有需要报告的相关财务或非财务利益冲突。致谢
本研究得到了美国农业部（USDA）生物技术风险评估资助计划（BRAG）（奖项编号2024-03792）、国家科学基金会（编号2227526和2223678）、美国能源部基础能源科学办公室（编号DE-SC0014462）、海军研究办公室（编号N00014-24-1-2034）以及Kleberg基金会的支持。本研究还得到了陆军研究办公室的资助，并根据合作协议编号W911NF-24-2-0073完成
