科学家们设计微生物来形成他们环境的“记忆”

像细菌这样的微生物没有足够的意识来形成记忆，但是德克萨斯州的一组科学家为他们在遗传水平上开发了一种新方法。

研究人员报告说，他们成功地设计了微生物以报告其环境并形成事件的遗传“记忆”。据研究人员称，这是一种可以帮助科学家更好地了解地球上化学循环以及微生物如何共享抗生素抗性信息的工具。

“我们希望这有助于促进合成生物学家和微生物学家之间的合作，”德克萨斯莱斯大学的研究生Emily Fulk说道，他在2017年美国地球物理联盟秋季新奥尔良会议上展示了她的初步工作。“我真的很高兴真正开始应用这个。”

Fulk与土壤细菌一起工作，微生物在分解死亡生物中起重要作用，并将大气中的氮“固定”成植物和动物可以使用的形式。关于这些细菌的许多问题仍未得到解答，包括它们如何应对干旱或过量肥料等环境条件。回答这些问题需要长时间和持续的监测，这些使用现有方法是不切实际的，因此Fulk转向合成生物学。

生物学家已经预先修饰的基因的微生物的质粒，其DNA的环状染色体内，通过插入激活感兴趣的化学物质的存在时的特定基因。这样，微生物响应环境刺激产生信号。

例如，对检测肥料中发现的环境硝酸盐，分子感兴趣的研究人员可以将硝酸盐敏感基因插入到微生物质粒中。然后，当微生物感知周围的硝酸盐时，它会激活基因以产生信号或向科学家“报告”。

“你可以把它想象成一个灯开关和一个灯泡，传感器就像灯开关一样，发出灯泡的信号，”富尔克说。“你可以看一下灯泡，或产生的信号，并说'好吧，如果我们看到'灯亮了，我们知道开关已被触发。'”

传统上，光的类比是文字的：微生物被设计成在检测到特定化学物质时发光或发出荧光。但在土壤中，看到荧光证明具有挑战性。相反，富尔克和她的同事开发出了通过产生气体来报告的微生物。

尽管如此，这仍然是一个巨大的挑战。为了产生信号，微生物必须存活，并且由于大多数微生物仅存活几个小时，因此它们的报告是短暂的。

富尔克通过进一步采用基因工程微生物解决了这个问题。她设计了一种微生物，它不仅可以响应化学信号产生气体，而且还记得它在活化化学物质消失和微生物死亡后很久就产生了气体信号。换句话说，她设计它有一个记忆。

“利用记忆，我们现在可以说，'让我们将我们的微生物孵化一个星期，一个月或一个季节'，然后在它结束时看看微生物，看看他们在整个时期看到了什么，而不是只有在特定的时间点，“富尔克说。

在巧妙的设计中，Fulk插入了以前从未做过的事情：分离“灯光开关”传感器和“灯泡”报告基因。在她的设置中，必须先修饰报告基因，然后才能产生气体信号。当微生物吃糖阿拉伯糖时激活的光开关基因编码能够修饰报告基因的酶。一旦光开关基因被激活，它就会修饰并打开报告基因，并且微生物产生气体。

然而，对报告基因的修饰不能逆转，因此微生物保持检测的遗传“记忆”。科学家可以在微生物暴露于化学物质后不久或微生物死亡后不久寻找这种遗传变化。

“我每天都被此感到震惊，”富尔克说。“我们真的很兴奋，我们已经完成了一些细节。”

这项新研究预示着富尔克预计将来会有很长一段时间的应用。她说，插入对环境相关化学品敏感的探测器可以回答土壤和微生物生态学家长期存在的问题。

“我们的想法是，如果我们能够制作一个即插即用的乐高型系统，您可以选择您的记者，您的'记忆'，您想要的化学物质以及您的微生物宿主，那么它可以定制以帮助解决你想要的任何问题，“富尔克说。

赖斯大学研究小组的首席研究员Caroline Masiello说：“你有时可以检测出这些微生物检测不到的物质。”她说，研究人员可以使用这种方法研究硫循环或细菌甲烷产生的不太了解的方面。但令人兴奋的是，环境中的直接应用似乎不太可能。

目前，Fulk和她的同事们正在与环境工程师一起研究抗生素耐药性如何在废水处理中心和土壤环境中的微生物之间转移。通过构建具有光开关基因的供体微生物和具有灯泡基因的接收微生物，它们可以确定基因何时聚集在一起以产生“记忆”。富尔克说，反过来，他们知道这将有助于他们识别未来可以使用的微生物“间谍”。