让细菌能够“看”到什么“画”什么，科学家们真会玩儿

细菌能够“看”什么“画”什么？这种单细胞的物种什么时候这么有智慧了呢？

不要大跌眼镜，是的。作为生命科学发展过程中骨灰级的研究对象——大肠杆菌，最近又多了新技能——拍照+成像，简单来说就是把“看到”的东西“画”出来。

记得从前拍照片时用的胶卷吗？首先，要在一个基质上有很多可以感光的元素，它们能够感受到不同的光，然后，再将感受到的光以另外一种形式展现出来，成为可见的画面。

来自MIT的科学家们通过基因编辑手段，将大肠杆菌打造成了具有双重功能的成像元素，不但可以成为胶卷——感光，同时可以作为打印机——成像。研究发表在了最近的《Nature Chemical Biology》上。

图中的彩色“照片”就是由工程化的大肠杆菌表达的颜料所呈现的。（图片来源：Nature）

研究人员在大肠杆菌中设置了能够通过光响应开启红色、绿色或蓝色蛋白质颜料表达的RGB系统。在培养大肠杆菌的培养皿中，首先，这些工程化的大肠杆菌中有能够接受特定波长光线的“传感器阵列”，用来接收环境中的信号（光）。第二步，基因电路对这些光信号进行整合处理和响应。第三步，资源分配组件连接电路输出到执行组件。最后，执行组件输出生物功能，表达出对应的颜料。

其实早在2005年，研究的领导者Christopher Voigt教授就曾经用工程化的大肠杆菌，打造过大肠杆菌的黑白照片，当时总共操作了4个基因和3个启动子。

图中是2005年，细菌表达的黑白照片。（图片来源：Nature）

这一次，科学家们在大肠杆菌的培养皿上呈现的是彩色的“照片”，这个被称作RGB系统的工程系统则更为庞大和复杂，包含了18个基因，14个启动子，18个终止子和4个质粒，总共有46,198个DNA碱基对。这一系统的成功得益于高度可靠的一体化传感、调节、资源使用以及代谢和生理构建系统。

在这一系统中，红色光感受器是一个嵌合组氨酸激酶（Cph8），由705nm的红外光开启，650nm的红光关闭。绿光感受器基于Synechocytis CcaSR，通过535nm的绿光开启，672nm的远红光关闭。蓝光感受器则使用了嵌合组氨酸激酶（YF1）包含了一个黄素单核苷酸（FMN）发色团，470nm的光可使其关闭，当没有这一波长的光照时，就处于开启状态。当然，科学家们还对系统中感受器与基因表达的关联进行了进一步的设计和调整。

在最后的RGB系统中，通过对不同位置给予特定波长的光刺激投影，细菌在一段时间后就会在培养皿上产生科学家所设定的图像。当然，这项研究的意义不只是让细菌成像很好玩儿这么简单，在一定的距离上，通过特定波长的光照来启动和停止基因表达，控制细菌产生复杂的目标分子，相对于使用特定化学物质来控制表达，更为简便、低成本且更具有可控性，对于后期的产物分离也没有额外的干扰。我们随时可以停止对微生物给予光刺激，但是添加化学物质的刺激不是随时可以停止的，毕竟分离不是那么简单的事情。

在未来，更多的光控微生物表达，对于很多药品、生物制品以及其他目标物质的微生物生产和优化将是一个非常好的思路。

参考资料

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

[2] Engineering RGB color vision intoEscherichia coli

[3] Bacterial films turn to photography

来源：康健新视野（微信号 HealthHorizon）