检测血红素和乳酸有新招！细菌群体生物传感器问世

合成多细胞系统在执行复杂任务方面潜力巨大，比如通过细胞间通讯实现多信号检测和计算。不过，构建这类系统颇具挑战，需要精确调控不同成员的细胞浓度，并协调它们的活动。近期，科研人员成功开发出一种基于细菌群体的生物传感器，可用于检测血红素和乳酸。

这种生物传感器的成员通过一种全局共享的群体感应信号相互耦合，该信号能同时控制多种生物传感菌株的活动。其多细胞系统包含一个基因回路，可计算每个生物传感器的活动与共享信号之间的最小值。研究人员对三种群体配置进行了评估：第一种配置中，共享信号由外部提供；第二种配置里，共享信号通过可诱导的基因回路直接产生；第三种配置则是借助非相干前馈环（IFFL）基因回路生成共享信号。

图 1：对比非耦合与耦合细菌生物传感器群体输出，体现共享信号分子增强耦合群体输出稳健性。

在这三种配置里，IFFL系统表现最为出色。它能长时间将共享信号维持在较低且稳定的水平，在应对细胞群体的扰动时，展现出更优的性能和更强的稳健性。研究人员利用遗传电路实现了IFFL网络，实验结果显示，该网络可长时间维持较低水平的信号输出，且达到稳态的速度比直接调控电路快至少三倍。此外，在资源利用方面，IFFL网络也更具优势，能在相同环境中达到更高的细胞浓度。

图 2：呈现 IFFL 和直接调节电路的设计、模拟与实验结果，突出 IFFL 电路稳态输出和快速达稳特性。

为了评估生物传感器的性能，研究人员创建了多个菌株，并构建了基于直接调控和IFFL网络的全细胞生物传感器。实验结果表明，与直接调控的共培养系统相比，IFFL菌株共培养系统能更有效地控制输入信号的时间进程，从而更清晰地区分不同状态。

图 3：展示基于不同电路的全细胞生物传感器，在多种诱导剂组合下的动态响应。

研究人员还开发了三种不同的群体配置，用于同时检测血红素和乳酸。实验结果显示，IFFL网络系统能在15小时后有效区分四种状态，而直接调控系统和外部诱导系统在区分状态方面存在一定的局限性。此外，在面对细胞群体扰动时，IFFL网络系统的稳健性明显优于其他两种系统。

图 4：介绍三种微生物群体生物传感器系统，对比其信号响应、状态区分能力和抗扰动稳健性。

研究人员还利用小鼠粪便样本对系统进行了测试，以检测血红素和乳酸生物标志物。实验结果表明，该系统在粪便样本中能成功反映多种基于群体的输入信号，为诊断提供了更可靠的输出。并且，IFFL网络系统在应对粪便样本中单个细菌生物传感器菌株群体的微小扰动时，表现出更好的稳健性。

图 5：说明粪便诊断实验流程，验证 IFFL 和直接调节网络检测粪便生物标志物的可行性。

总的来说，该研究表明，合成细菌生物传感器可通过共享信号分子实现耦合，而IFFL网络能有效耦合单个细菌传感器，使合成群体的输出对细胞浓度的依赖程度降低。这一成果为开发大型合成多细胞系统带来了重要进展，有望在未来的医疗领域，如粪便、尿液和汗液等生物标志物的监测中得到广泛应用。此外，该研究中稳定的IFFL电路在基因表达研究、治疗性活细胞以及代谢工程等领域也具有潜在的应用价值。

参考文献：Huang R, Kravchik V, Zaatry R, et al. Engineering coupled consortia-based biosensors for diagnostic[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 3761.