讓細菌能夠「看」到什麼「畫」什麼，科學家們真會玩兒

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細菌能夠「看」什麼「畫」什麼？這種單細胞的物種什麼時候這麼有智慧了呢？

不要大跌眼鏡，是的。作為生命科學發展過程中骨灰級的研究對象——大腸桿菌，最近又多了新技能——拍照+成像，簡單來說就是把「看到」的東西「畫」出來。

記得從前拍照片時用的膠捲嗎？首先，要在一個基質上有很多可以感光的元素，它們能夠感受到不同的光，然後，再將感受到的光以另外一種形式展現出來，成為可見的畫面。

來自MIT的科學家們通過基因編輯手段，將大腸桿菌打造成了具有雙重功能的成像元素，不但可以成為膠捲——感光，同時可以作為印表機——成像。研究發表在了最近的《Nature Chemical Biology》上。

圖中的彩色「照片」就是由工程化的大腸桿菌表達的顏料所呈現的。（圖片來源：Nature）

研究人員在大腸桿菌中設置了能夠通過光響應開啟紅色、綠色或藍色蛋白質顏料表達的RGB系統。在培養大腸桿菌的培養皿中，首先，這些工程化的大腸桿菌中有能夠接受特定波長光線的「感測器陣列」，用來接收環境中的信號（光）。第二步，基因電路對這些光信號進行整合處理和響應。第三步，資源分配組件連接電路輸出到執行組件。最後，執行組件輸出生物功能，表達出對應的顏料。

其實早在2005年，研究的領導者Christopher Voigt教授就曾經用工程化的大腸桿菌，打造過大腸桿菌的黑白照片，當時總共操作了4個基因和3個啟動子。

圖中是2005年，細菌表達的黑白照片。（圖片來源：Nature）

這一次，科學家們在大腸桿菌的培養皿上呈現的是彩色的「照片」，這個被稱作RGB系統的工程系統則更為龐大和複雜，包含了18個基因，14個啟動子，18個終止子和4個質粒，總共有46,198個DNA鹼基對。這一系統的成功得益於高度可靠的一體化感測、調節、資源使用以及代謝和生理構建系統。

在這一系統中，紅色光感受器是一個嵌合組氨酸激酶（Cph8），由705nm的紅外光開啟，650nm的紅光關閉。綠光感受器基於SynechocytisCcaSR，通過535nm的綠光開啟，672nm的遠紅光關閉。藍光感受器則使用了嵌合組氨酸激酶（YF1）包含了一個黃素單核苷酸（FMN）發色團，470nm的光可使其關閉，當沒有這一波長的光照時，就處於開啟狀態。當然，科學家們還對系統中感受器與基因表達的關聯進行了進一步的設計和調整。

在最後的RGB系統中，通過對不同位置給予特定波長的光刺激投影，細菌在一段時間後就會在培養皿上產生科學家所設定的圖像。當然，這項研究的意義不只是讓細菌成像很好玩兒這麼簡單，在一定的距離上，通過特定波長的光照來啟動和停止基因表達，控制細菌產生複雜的目標分子，相對於使用特定化學物質來控制表達，更為簡便、低成本且更具有可控性，對於後期的產物分離也沒有額外的干擾。我們隨時可以停止對微生物給予光刺激，但是添加化學物質的刺激不是隨時可以停止的，畢竟分離不是那麼簡單的事情。

在未來，更多的光控微生物表達，對於很多藥品、生物製品以及其他目標物質的微生物生產和優化將是一個非常好的思路。

參考資料：

[1] Light-sensitive E. coli paint acolourful picture

[2] Engineering RGB color vision intoEscherichia coli

[3] Bacterial films turn to photography

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