有關傳感器的研究工作有很多，什麼樣的才能獲得 Nature 的青睞？正在劍橋大學做博後研究的蘇林，可能有自己的見解和體會。
圖 | 蘇林（來源：蘇林）
近日，他和讀博時所在團隊研發的活體生物電傳感器終於正式公開，相關論文已被Nature 錄用。
（來源：Nature）
合成生物學與微生物學「結合」出一款傳感器
據介紹，針對環境污染物，活體生物電傳感器可以實現快速生物電傳感檢測。此前，生物傳感領域內的響應信號，需要二次轉換為電信號，以便進行程序分析和傳輸，這導致響應時間通常比較長。針對這一限制，該成果進行了優化和突破。
對於環境污染的監測尤其是水資源的污染監測，一直是人類面臨的全球性環境挑戰。污染物質的釋放往往是動態和瞬時性的，因此需要對可能的污染物進行實時監測。
傳統方式一般通過定時定點取樣，然後送回實驗室利用大型儀器進行測試，在時效性上存在明顯的劣勢。
目前，結合生物傳感技術與合成生物學，學界已經開發出了可在現場部署的生物傳感器。但是，大部分傳感監測輸出的信號都是視覺信號，比如顏色的變化和發光等。
儘管部分生物電傳感器可以利用改造後的電活性微生物，對特定物質進行識別並直接輸出電信號。然而，這些傳感器都依賴基因的轉錄調節，檢測過程中需要歷經從 DNA 轉錄成 mRNA、再翻譯成蛋白質的過程，故其響應時間一般在 30 分鐘甚至更久。
另外，水體中富含着各類化學物質，也時刻會發生環境條件的變化，比如溫度、pH、水速、含氧量等。這些往往會對傳感器信號造成干擾，致使信噪比降低、以及響應時間被拖長。
而此次研究結合合成生物學、電化學、材料科學等，讓監測目標污染物的時間被縮至三分鐘，並能直接輸出電傳感信號。
（來源：Nature）
其主要包括以下三項突破：
第一，該團隊構建了一條來自四種不同生物、橫跨兩個不同生物域的氧化還原酶所組成的人造電子傳遞通路，實現了對於目標物質的識別、信息傳遞、以及對於監測過程的能量供應。
第二，研究人員使用蛋白質開關，來對電子傳遞過程進行控制，響應時間短，非常適合對環境中的瞬時污染物排放進行持續監測。
第三，課題組利用水凝膠材料和導電納米顆粒，對改造後的微生物進行封裝，在防止微生物逃逸到環境中的同時，還提升了傳感信號的信噪比。
可以說，這款活體生物電傳感器在很多領域都具備應用前景，尤其是在環境監測方面。而且，在傳感通路的設計上，課題組採用了模塊化構思，因此理論上每個模塊都能根據具體需求進行修改和設計。
另外，在智慧農業、助力工業廢物處理和水安全、甚至遠洋深海資源探測上，這款傳感器都能發揮作用。
對於本次研究，一位評審專家表示：「在過去 20 年裡，已有大量利用生物作為傳感器的先例（例如植物在爆炸物的存在下改變顏色等)，但它們存在通過生物感知產生視覺或電信號所需時間較長的限制。本文作者將合成生物學與微生物電化學進行結合，實現了待測物的傳感監測。總的來說，該成果對分析化學領域產生了深刻影響，並將引起人們對於合成生物學與微生物學領域的廣泛興趣。」
還有審稿人表示：「該工作對以往的生物電傳感體系進行了大幅改進，並驗證了將基於全細胞的生物傳感器用於實時監測的可能性。最重要的是避免了在基因轉錄過程中的延遲。」
近日，相關論文以《環境污染物的實時生物電子傳感》（Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants）為題發表在 Nature 上 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
美國萊斯大學生物科學系約書亞·阿特金森（Joshua T. Atkinson）博士、蘇林博士是共同一作，萊斯大學生物工程系喬納森·席爾伯格（Jonathan J. Silberg）教授、以及萊斯大學生物科學系卡羅琳·阿霍-富蘭克林（Caroline M. Ajo-Franklin）教授擔任共同通訊作者。
「We got a 4HT sensor」
據介紹，此次課題的最早構思源自於 2015 年「合成生物學:工程、進化與設計」（Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design）大會[2]。
這分別涉及到兩位人物：Caroline 教授課題組的摩西·巴魯克（Moshe Baruch）博士、以及Silberg 教授課題組的喬什·阿特金森（Josh Atkinson）博士。
兩人的姓氏分別以 B 和 A 開頭，當時兩位博士的演講海報排在最前面，並恰巧被安排在一起。
Caroline 課題組的研究方向之一是微生物的電信號輸出，而 Silberg 課題組主要研究鐵氧化還原蛋白的功能和蛋白質開關的構建，這分別對應了本次論文中的信號輸出模塊和信號輸入模塊。
於是，Moshe 和 Josh 看到彼此的工作之後一拍即合，並表示：「We need to get together and talk about this！」
之後，兩支課題組建立聯繫並決定合作，半年後他們獲得了第一筆研究經費的資助。
蘇林則於 2016 年秋季加入Caroline 課題組，一開始他接手的是另一個課題。
2017 年夏季，蘇林的第一個項目基本完工之後，正好 Moshe 的博後職位快要結束。
「這時，我的導師 Caroline 和 Moshe 找我來參與電傳感的課題。與 Silberg 教授課題組的 Josh 等人合作。項目推進並沒有想像中順利，我跟 Josh 也因此不得不延期各自的博士答辯。」蘇林說。
由於他們設計的傳感通路實在是太過複雜，在三年間的大部分時間裏，研究團隊都在不停地構建工程菌、驗證、失敗、再重新構建，如此往複。
期間最大的挑戰在於，有好幾次檢測了到傳感信號，但是興奮之後仔細分析發現是假陽性、或者對照組設計的不夠嚴謹，這時只好推翻再來。
（來源：Nature）
2020 年下半年，實驗開始迎來起色。Josh 把蛋白開關部分進行了升級改造，測試效果得到明顯改善。
「再後來，Xu Zhang 博士的加入，幫忙解決了不少技術難點，也讓實驗進展更加順利。2020 年 11 月底，我給兩位教授以及 Josh 發了封郵件，郵件的 title 是 『We got a 4HT sensor』，4HT 就是我們目標污染物（4-hydroxytamoxifen）的縮寫。一般來說，在郵件結尾使用『Cheers』的機會並不多，由此足見當時的激動。」蘇林說。
圖 | 蘇林當時發的郵件（來源：蘇林）
項目的後續推進變得則越來越順，2021 年 2 月他們完成了核心數據的最後一個實驗。之後大家開始分工撰寫手稿。
蘇林表示：「不停地失敗並堅持的過程就挺難忘的，還有 Nature 的發表周期太長了非常折磨人。」
不過有意思的是，隨着項目的推進也發生了一些地理意義上的人員變動。蘇林繼續說道：「2018 年，Josh 拿到美國能源部的獎學金，得以讓他從休斯頓飛到伯克利跟我們一起做了大半年的實驗；2019 年，Caroline 教授拿到萊斯大學的 offer 和德州的 funding，於是我們實驗室從伯克利搬到休斯頓；2020 年，Josh 畢業之後去南加州大學做博後，中途暑假又飛回來繼續幫忙做實驗，還在我家的沙發上睡了一個多月。」
期間，蘇林跟 Josh 也成了很好的合作夥伴和朋友。他教蘇林合成生物學的實驗，蘇林教他電化學。同時，他倆還是上下樓的鄰居。那時，蘇林經常端着中式料理下樓去找 Josh 喝酒，Josh 則提供德州風味的燒烤、甜品和兩隻可愛的貓。
看得出來，即便已在國外生活數年之久，蘇林依然保留着地道的中國飲食習慣。而他也表示：「回國工作一直是我努力的目標之一。」
圖 | 蘇林（來源：蘇林）
出生於江西鷹潭的蘇林，其本科就讀於南京農業大學生物技術專業。他說：「大二暑假時跟朋友一起參加國家大學生創新性實驗計劃（當時好像是南農的第一屆），研究是真菌孢子對雜草的治理，可以算是我最早的科研經歷了。」
之後考研到東南大學生物物理專業讀碩，導師是付德剛教授。當時研究的課題是納米材料對微生物胞外電子傳遞的促進作用。
「碩士畢業後繼續在付老師組裡讀博，專業方向是生物醫學工程的納米生物器件。博士期間獲得了國家留學基金管理委員會的資助，交流去了當時在美國伯克利國家實驗室的Caroline課題組學習合成生物學。博士論文的課題最終確定在利用合成生物學編輯微生物的電子傳遞，並將其應用在微生物電傳感方面。」他說。
博士畢業之後，蘇林來到英國劍橋大學化學系歐文·賴斯納（Erwin Reisner）教授課題組研究人工光合作用，主要研究如何通過構建微生物-納米材料的生物複合體，來實現光能的轉換和二氧化碳的還原[2]。
其表示：「我目前在劍橋大學擔任博士後研究員，並且很幸運地獲得了英國 Leverhulme Trust 和劍橋三一學院 Isaac Newton Trust 提供的三年早期職業研究員獎學金（Early Career Fellowships）。在此之後，我打算申請教職，並建立自己的研究團隊。我預計在 2024 年左右開始關注招聘啟事並與國內的用人單位聯繫。」
參考資料：
1.Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature 611, 548–553 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y
2.RICE NEWS: Bacterial sensors send a jolt of electricity when triggered. https://news.rice.edu/news/2022/bacterial-sensors-send-jolt-electricity-when-triggered
3.University of Cambridge, Lucy Cavendish College, Dr Lin Su. https://www.lucy.cam.ac.uk/fellows/dr-lin-su
