像細(xì)菌這樣的微生物沒(méi)有足夠的意識(shí)來(lái)形成記憶，但是德克薩斯州的一組科學(xué)家為他們?cè)谶z傳水平上開發(fā)了一種新方法。

研究人員報(bào)告說(shuō)，他們成功地設(shè)計(jì)了微生物以報(bào)告其環(huán)境并形成事件的遺傳“記憶”。據(jù)研究人員稱，這是一種可以幫助科學(xué)家更好地了解地球上化學(xué)循環(huán)以及微生物如何共享抗生素抗性信息的工具。

“我們希望這有助于促進(jìn)合成生物學(xué)家和微生物學(xué)家之間的合作，”德克薩斯萊斯大學(xué)的研究生Emily Fulk說(shuō)道，他在2017年美國(guó)地球物理聯(lián)盟秋季新奧爾良會(huì)議上展示了她的初步工作。“我真的很高興真正開始應(yīng)用這個(gè)。”

Fulk與土壤細(xì)菌一起工作，微生物在分解死亡生物中起重要作用，并將大氣中的氮“固定”成植物和動(dòng)物可以使用的形式。關(guān)于這些細(xì)菌的許多問(wèn)題仍未得到解答，包括它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)干旱或過(guò)量肥料等環(huán)境條件?；卮疬@些問(wèn)題需要長(zhǎng)時(shí)間和持續(xù)的監(jiān)測(cè)，這些使用現(xiàn)有方法是不切實(shí)際的，因此Fulk轉(zhuǎn)向合成生物學(xué)。

生物學(xué)家已經(jīng)預(yù)先修飾的基因的微生物的質(zhì)粒，其DNA的環(huán)狀染色體內(nèi)，通過(guò)插入激活感興趣的化學(xué)物質(zhì)的存在時(shí)的特定基因。這樣，微生物響應(yīng)環(huán)境刺激產(chǎn)生信號(hào)。

例如，對(duì)檢測(cè)肥料中發(fā)現(xiàn)的環(huán)境硝酸鹽，分子感興趣的研究人員可以將硝酸鹽敏感基因插入到微生物質(zhì)粒中。然后，當(dāng)微生物感知周圍的硝酸鹽時(shí)，它會(huì)激活基因以產(chǎn)生信號(hào)或向科學(xué)家“報(bào)告”。

“你可以把它想象成一個(gè)燈開關(guān)和一個(gè)燈泡，傳感器就像燈開關(guān)一樣，發(fā)出燈泡的信號(hào)，”富爾克說(shuō)。“你可以看一下燈泡，或產(chǎn)生的信號(hào)，并說(shuō)'好吧，如果我們看到'燈亮了，我們知道開關(guān)已被觸發(fā)。'”

傳統(tǒng)上，光的類比是文字的：微生物被設(shè)計(jì)成在檢測(cè)到特定化學(xué)物質(zhì)時(shí)發(fā)光或發(fā)出熒光。但在土壤中，看到熒光證明具有挑戰(zhàn)性。相反，富爾克和她的同事開發(fā)出了通過(guò)產(chǎn)生氣體來(lái)報(bào)告的微生物。

盡管如此，這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了產(chǎn)生信號(hào)，微生物必須存活，并且由于大多數(shù)微生物僅存活幾個(gè)小時(shí)，因此它們的報(bào)告是短暫的。

富爾克通過(guò)進(jìn)一步采用基因工程微生物解決了這個(gè)問(wèn)題。她設(shè)計(jì)了一種微生物，它不僅可以響應(yīng)化學(xué)信號(hào)產(chǎn)生氣體，而且還記得它在活化化學(xué)物質(zhì)消失和微生物死亡后很久就產(chǎn)生了氣體信號(hào)。換句話說(shuō)，她設(shè)計(jì)它有一個(gè)記憶。

“利用記憶，我們現(xiàn)在可以說(shuō)，'讓我們將我們的微生物孵化一個(gè)星期，一個(gè)月或一個(gè)季節(jié)'，然后在它結(jié)束時(shí)看看微生物，看看他們?cè)谡麄€(gè)時(shí)期看到了什么，而不是只有在特定的時(shí)間點(diǎn)，“富爾克說(shuō)。

在巧妙的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)ulk插入了以前從未做過(guò)的事情：分離“燈光開關(guān)”傳感器和“燈泡”報(bào)告基因。在她的設(shè)置中，必須先修飾報(bào)告基因，然后才能產(chǎn)生氣體信號(hào)。當(dāng)微生物吃糖阿拉伯糖時(shí)激活的光開關(guān)基因編碼能夠修飾報(bào)告基因的酶。一旦光開關(guān)基因被激活，它就會(huì)修飾并打開報(bào)告基因，并且微生物產(chǎn)生氣體。

然而，對(duì)報(bào)告基因的修飾不能逆轉(zhuǎn)，因此微生物保持檢測(cè)的遺傳“記憶”?？茖W(xué)家可以在微生物暴露于化學(xué)物質(zhì)后不久或微生物死亡后不久尋找這種遺傳變化。

“我每天都被此感到震驚，”富爾克說(shuō)。“我們真的很興奮，我們已經(jīng)完成了一些細(xì)節(jié)。”

這項(xiàng)新研究預(yù)示著富爾克預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有很長(zhǎng)一段時(shí)間的應(yīng)用。她說(shuō)，插入對(duì)環(huán)境相關(guān)化學(xué)品敏感的探測(cè)器可以回答土壤和微生物生態(tài)學(xué)家長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

“我們的想法是，如果我們能夠制作一個(gè)即插即用的樂(lè)高型系統(tǒng)，您可以選擇您的記者，您的'記憶'，您想要的化學(xué)物質(zhì)以及您的微生物宿主，那么它可以定制以幫助解決你想要的任何問(wèn)題，“富爾克說(shuō)。

賴斯大學(xué)研究小組的首席研究員Caroline Masiello說(shuō)：“你有時(shí)可以檢測(cè)出這些微生物檢測(cè)不到的物質(zhì)。”她說(shuō)，研究人員可以使用這種方法研究硫循環(huán)或細(xì)菌甲烷產(chǎn)生的不太了解的方面。但令人興奮的是，環(huán)境中的直接應(yīng)用似乎不太可能。

目前，F(xiàn)ulk和她的同事們正在與環(huán)境工程師一起研究抗生素耐藥性如何在廢水處理中心和土壤環(huán)境中的微生物之間轉(zhuǎn)移。通過(guò)構(gòu)建具有光開關(guān)基因的供體微生物和具有燈泡基因的接收微生物，它們可以確定基因何時(shí)聚集在一起以產(chǎn)生“記憶”。富爾克說(shuō)，反過(guò)來(lái)，他們知道這將有助于他們識(shí)別未來(lái)可以使用的微生物“間諜”。