細菌可以通過基因工程來感知各種分子，例如污染物或土壤養分。然而，在大多數情況下，這些信號只能通過在顯微鏡或類似的敏感實驗室設備下觀察細胞來檢測，這使得它們不適合大規模應用。

近日，麻省理工學院（MIT）的研究團隊成功開發新型高光譜報告基因（Hyperspectral Reporters, HSRs），首次實現了對活體細菌基因表達的遠距離、大范圍光學檢測。該技術通過工程化改造細菌代謝通路，使其在感知環境信號后產生具有獨特光譜特征的分子標記物，結合高光譜成像技術，可在 90 米外實時監測細菌行為，單次成像覆蓋面積達 4000 平方米。相關研究成果以題為“Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria”發表于 Nature Biotechnology，為環境監測、精準農業及生物安全領域提供了革命性工具。

傳統基因報告系統（如綠色熒光蛋白 GFP）受限于檢測距離與光譜分辨率，難以滿足戶外大規模應用需求。MIT 團隊創新性地將合成生物學與遙感技術結合，建立了一套基于代謝物光譜特性的遠程傳感體系。研究人員通過量子力學計算篩選了來自 BKMS、MetaCyc 和 Rhea 數據庫的 20,177 種天然代謝物，采用含時密度泛函理論（TD-DFT）預測其吸收光譜特征，最終選定膽綠素 IXα（Biliverdin IXα）與細菌葉綠素 a（Bacteriochlorophyll a）作為核心報告分子。這兩種分子在可見-近紅外光譜區（400-1000 nm）呈現多峰吸收特性，與自然環境背景形成顯著差異，其 Wasserstein 光譜距離分別達到同類代謝物的前 0.3% 與 0.1%。

圖 | 代謝物光譜預測

為實現精準的生物傳感，研究團隊構建了模塊化基因回路系統。在土壤模式菌株惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）中，通過引入血紅素加氧酶 BphO 與小分子結合蛋白 SmURFP 的雙基因系統，實現了膽綠素 IXα 的高效合成與穩定積累；對于膠狀紅長命菌（Rubrivivax gelatinosus），則通過調控光捕獲復合體調控蛋白 PpsR 的表達水平，動態控制細菌葉綠素 a 的產量。實驗表明，該報告系統可與多種現有生物傳感器兼容，當細菌檢測到特定化學物質（如砷酸鹽）或群體感應信號分子如 pC-HSL 時，HSR 分子濃度呈現劑量依賴性變化，動態響應范圍達 250 倍，半數激活濃度（EC50）最低至 2.2 nM。

研究團隊通過系列實驗驗證了 HSR 系統的遠程檢測性能。在實驗室條件下，搭載 VNIR（可見-近紅外）高光譜相機的檢測平臺可在 0.5 米距離識別 3.4×10? CFU/mm2 的工程菌信號，檢測限較傳統單波長熒光檢測提升兩個數量級。更關鍵的是，在沙漠、農田及建筑屋頂等真實環境中，無人機載高光譜成像系統成功從 90 米高空捕捉到地表細菌的代謝信號。通過開發基于 Wasserstein 距離譜分解算法，研究人員能夠從復雜背景噪聲（如土壤有機質、植物葉綠素）中精準提取 HSR 特征光譜，在單幅 4000 m2 圖像中實現>99% 的受試者工作特征曲線下面積（AUROC）。

圖 | 利用 HSR 系統進行化學信號的遠程檢測

該技術的應用前景已得到初步驗證。在模擬農業場景中，攜帶氮素傳感器的工程菌可實時反映土壤養分分布；在含砷污染區域，HSR 信號強度與污染物濃度呈顯著正相關。值得注意的是，研究團隊已將 HSR 系統與爆炸物檢測回路耦合，在封閉實驗中成功檢測到地下 10 cm 處 TNT 類似物的擴散梯度。為推進技術轉化，MIT 團隊與美國環境保護署（EPA）、農業部（USDA）合作制定了風險評估框架，重點考察工程菌的環境適應性與基因水平轉移風險。

盡管取得顯著進展，HSR 技術仍需突破若干瓶頸。當前系統依賴環境光照強度，在<500 lux 條件下信號采集效率下降 40%；報告分子在戶外環境中的半衰期為 77-90 小時，尚不能滿足長期監測需求。對此，研究團隊提出兩階段優化方案：一方面通過理性設計拓展報告分子的近紅外吸收峰，開發適用于低光條件的第三代 HSR；另一方面擬將系統植入植物內生菌體系，利用宿主代謝網絡延長信號分子穩定性。

這項研究標志著合成生物學與遙感技術的深度交叉融合。通過將細胞代謝工程、計算化學與計算機視覺算法結合，MIT 團隊首次實現了活體微生物的廣域光學追蹤。該技術突破不僅為環境生物傳感提供了新范式，更可能催生新型生態監測網絡——未來，通過衛星集群與工程微生物的配合，人類或將實現全球尺度的實時生物地球化學循環觀測。

1.Chemla, Y., Levin, I., Fan, Y. et al. Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria. Nat Biotechnol (2025).

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