与细菌聊天拯救世界
美国最近一次大肠杆菌疫情发生在去年年底，当时亚利桑那州、加利福尼亚州和内华达州有33人在吃了即食鸡肉沙拉后出现腹部绞痛、恶心和腹泻。对两名患者来说，感染产生了有毒物质，杀死了他们的红细胞，然后堵塞并破坏了他们肾脏中的微小血管，而这些血管对于过滤废物和调节血压至关重要。由于透析等治疗通常会导致患者完全康复，因此没有人死亡;但这种情况可能导致潜在的致命肾衰竭，或长期的肾脏损伤，可能需要药物或饮食改变来保持低血压。
据美国疾病控制与预防中心估计，食源性疾病影响了4800万美国人，或六分之一的美国人，每年导致3000人死亡。通常，快速嗅探或看一眼保质期就能发现食物是否已经过了最佳食用期。但大肠杆菌污染是很棘手的，单靠嗅觉、味觉或外观是无法检测到的。
但是如果警报系统可以提醒我们污染呢?这是有可能的，多亏了西班牙瓦伦西亚大学合成生物学研究员曼纽尔·波卡尔领导的研究。他的团队改造了无害的大肠杆菌菌株，使其根据周围的温度、酸度和氧气水平发出不同颜色的光。下一步是使用微处理器将这些光波转换成语音。这意味着我们可以将这些工程细菌添加到食品包装中，如果它们检测到表明污染的环境条件，它们可以告诉我们——字面上——避免食用包装上的内容物。
Porcar说:“这看起来就像科幻小说。“但这个想法很简单，而且效果很好。”
食品安全只是其中一个应用。例如，药剂师可以将含有工程细菌的药物样品放入装有微处理器的特殊机器中，这样细菌就可以通过产生蛋白质来让他们知道他们是否正确地制造了药物，这些蛋白质会根据某种成分的含量发出不同颜色的荧光。酿酒师可以用类似的方式使用这种工程细菌来确定他们的酒精是否可以装瓶。
该项目在线发表在《应用微生物学Letters in Applied Microbiology》上，是Porcar和他的学生参加2012年国际基因工程机器(iGEM)竞赛的参赛作品。在该竞赛中，本科生团队从编码特定生物部分的DNA序列库中构建生物系统。
波卡尔的一个学生问了一个简单而诱人的问题:我们能通过光脉冲与细菌对话吗?
为了找到答案，研究小组改造了四种大肠杆菌菌株，使其产生的蛋白质能够发出不同颜色和数量的荧光，这取决于被认为对生存至关重要的环境因素。他们设计了一种菌株在低葡萄糖条件下发出青色光，另一种菌株在温度升高时发出红色光，第三种菌株在含氧量降低时发出绿色光。最后，他们设计了第四种菌株，在低氮条件下发出黄色荧光。
果然，当研究人员调整大肠杆菌生长的环境时，它们发出的光量根据他们的舒适程度而增加或减少。例如，将热敏菌株暴露在温度升高的脉冲下，每次都会发出更亮的红光。
下一步是使用微处理器将语音问题转换为光脉冲，刺激经过改造的大肠杆菌产生荧光发光蛋白。然后微处理器会根据光的波长将光转换成声音反应。因此，如果微处理器检测到导致亮红光的波长，“机器就会说，‘我很温暖。请给我补充能量，’”Porcar解释道。
到目前为止，研究人员已经设计了一种微处理器，可以将语音转换为光脉冲，反之亦然，但他们还没有将其集成到一个完整的系统中。Porcar没有继续这个项目的计划，而且据他所知，还没有其他人承担这个责任。但西班牙国家生物技术中心的微生物学家维克多·德·洛伦佐(Victor de Lorenzo)正在改造细胞，使其相互指挥，以执行复杂的计算。这些细胞可以作为电路的组成部分，执行更复杂的任务，比如清除有毒金属。
尽管如此，Porcar的研究——第一次尝试与细菌交流——强调了定期与细菌“联系”以优化它们的表现的重要性。“一方面，驯化的生物对象必须遵循主人的可预见的命令，”德洛伦佐说。“但到目前为止，我们还不关心另一个方向——细菌在响应我们的命令时感觉如何。他们高兴吗?他们有压力吗?他们会拒绝服从吗?”
今天，波卡尔继续研究细菌的潜力。他的团队开发了一种装置，可以将细菌释放的热量(例如，在酒精生产过程中消化糖时)转化为电能，为小型电子设备提供动力。
但Porcar的工作也提出了一个有争议的问题，即工程原理是否可以应用于生命系统——这是合成生物学的一个核心原则，经常被大众媒体大肆宣扬。“主要原因是，在我看来，细胞不是机器，因为它们没有被设计，”他说。“它们来自自然选择和进化。”
如果生命系统真的是机器，那么每个部分都应该相互独立。但是Porcar认为事实恰恰相反。“会说话的细菌”项目的一个主要限制是，将不同的菌株一起生长无法提供多种环境条件的读数;例如，设计用来感知氧气的菌株已经不能再这样做了。
Porcar正在为今年iGEM的参赛测试他的假设。这一结果可能会极大地改变科学家研究合成生物学的方式。他说:“通过合理的设计，我们可能无法让细菌完全按照我们想要的方式活动。”Porcar认为“理性设计加上自然选择的微调空间”可能更有效。
通常情况下，科学家将一个特定的DNA序列(例如编码抗疟疾蛋白)插入细菌中，允许它们复制，形成克隆。普罗卡尔建议让细菌在几周内自然地积累DNA突变，也许是在紫外线辐射的帮助下，产生不同的蛋白质变体，并与引起疟疾的寄生虫一起生长，以选择最有效的一种。
Porcar挑战并扩展了我们对细菌的看法。它们不仅仅是机器上的齿轮，它们本身就是生命系统，这意味着我们从它们中受益的最佳机会可能是与它们一起工作，甚至是询问它们的工作情况。
