工程化细菌赋能新一代植入式传感器，实现体内无线分子监测
土耳其研究团队近日开发出一款创新的植入式生物传感系统，该系统无需外部供电，借助基因工程改造的大肠杆菌实现体内分子水平的持续监测。这项突破性技术能够自主运行并实时传输数据，为下一代医疗监测设备铺平了道路。
在医疗科技迅猛发展的当下，对能够持续监测人体生物信号的先进设备的需求正日益增加。尤其在人口老龄化加剧的背景下，人们迫切需要能在体表和体内同时工作的传感系统，以实现对健康状态的动态掌握。
在最新发表于《自然・通讯》的论文中，研究人员介绍了一种能够将工程化细菌的生物活动转换为可测电磁信号的传感机制。通过基因编程，这些细菌在检测到特定分子时，会生成一种特定蛋白，该蛋白能够增强电子转移效率，从而触发植入天线的可控降解。
该天线由镁箔制成，具有良好的生物相容性，且可随时间在体内缓慢溶解。随着其尺寸和形状的变化，其共振频率也会发生相应变化。这些信号可通过外部接收装置进行远程检测和解析。
活细胞作为信号转换器
目前市场上的植入式医疗设备种类繁多，从生命体征监测到疾病诊断，甚至药物递送系统均有涉及。然而，多数设备难以实现对特定分子的体内追踪。这一限制在新型生物传感系统中得到了有效突破。
尽管血糖仪等设备看似具备分子检测功能，但其实质上是通过测量组织中的电信号间接推断分子浓度。而真正实现对体内特定分子的直接追踪，将有助于更高效地识别疾病生物标志物，从而提升早期诊断能力。
生物系统本身具备高度敏感的分子识别能力，研究人员正是基于这一特性，利用合成生物学工具对细菌进行基因改造，使其成为具备分子检测功能的“生物探针”。通过设计合成基因回路，使细菌在检测到目标分子时能够激活特定的生物响应。
研究人员对大肠杆菌进行了基因改造，使其表达Ccm蛋白。当目标分子被识别后，该回路启动并增强电子传输效率，使细菌能够与镁金属天线发生反应，进而推动天线的降解。
随着细菌代谢活动的持续进行，镁天线的物理特性发生变化，导致其共振频率产生波动。外部设备可无线捕捉这些频率变化，从而实现对设备状态的实时监测。
在实验中，研究人员成功在模拟人体肌肉组织的体模中实现了深度达25毫米的分子传感。该体模精确复制了人体组织的电学行为，为未来体内应用提供了有力验证。
这一技术的广泛应用将推动生物传感领域进入全新阶段。通过扩展至更多类型的工程细胞和分子靶标，未来有望实现对疾病进展的实时跟踪，减少对重复活检和侵入性检测的依赖。
本文由桑朱克塔・蒙达尔撰写，萨迪・哈雷编辑，罗伯特・伊根负责事实核查。这是一篇由专业团队精心打造的科学新闻。感谢读者对独立科学报道的支持，如您认同此类内容，欢迎通过月捐等形式持续支持。
更多信息：艾哈迈德・比勒尔等人，《通过基因工程细菌实现体内无线传感》，《自然・通讯》（2025 年）。DOI：10.1038/s41467-025-65416-5
期刊信息：《自然・通讯》