萊斯大學(xué)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(xué)學(xué)會期刊《環(huán)境科學(xué)和技術(shù)》的論文中，萊斯研究團(tuán)隊(duì)使用釋放出鹵代甲烷氣體的基因工程細(xì)菌，在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測土壤樣本中微生物的基因表達(dá)。
利用合成生物技術(shù)對該細(xì)菌進(jìn)行基因編輯使其釋放出氣體，當(dāng)細(xì)菌通過基因水平轉(zhuǎn)移進(jìn)行DNA交換時（基因水平轉(zhuǎn)移在生物進(jìn)化過程中有著獨(dú)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(shí)時監(jiān)控這個過程，無需時時刻刻盯住土壤樣本。
萊斯大學(xué)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(xué)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(dá)和其它過程。
這項(xiàng)工作是由萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的生物地球化學(xué)家卡洛琳 馬謝洛，生物化學(xué)家喬納森 西爾伯格，微生物學(xué)家喬治 班尼特和萊斯大學(xué)研究生論文主要作者Hsiao-Ying (謝利) Cheng共同承擔(dān)的，是W.M.凱克基金會100萬美元資助項(xiàng)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(jìn)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?yàn)椋交蜣D(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(xì)菌如何在土壤中交換耐抗生素，”她說。“在過去，在真實(shí)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(shí)現(xiàn)了我們的研究目標(biāo)。”
研究人員預(yù)計(jì)，科學(xué)家將在實(shí)驗(yàn)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(dá)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(xiàng)技術(shù)為參考，” 生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)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(xì)節(jié)上還需進(jìn)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(xué)現(xiàn)象的細(xì)節(jié)信息，”西爾伯格說。
他們預(yù)計(jì)將會很快進(jìn)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(jìn)行微調(diào)。“農(nóng)業(yè)如何在沒有浪費(fèi)的情況下，達(dá)到效率的提升？很多人都提到了這一點(diǎn)，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(xué)現(xiàn)象的機(jī)制來做出可靠的預(yù)測。對這些工具的改進(jìn)和提升是一件耗時的工作。”
研究人員強(qiáng)調(diào)，這些工具都是用于實(shí)驗(yàn)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(dāng)它們與另一種微生物進(jìn)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(shí)驗(yàn)室在位于密歇根的國家科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試，班尼特說。
