工程细菌助力体内无线分子监测的新一代植入式传感器
土耳其研究团队研发出一款创新的植入式生物传感器，该设备采用基因工程化的大肠杆菌进行体内分子监测，无需依赖外部电源，能够实现无线自主运行。
医学领域正在经历技术变革，不仅改变了医疗护理的提供方式，也在重塑人们监测健康状况的方法。随着人口老龄化趋势加剧，具备检测体表及体内生物信号能力的先进医疗设备正变得日益重要。
在近期发表于《自然・通讯》的研究中，研究人员介绍了一种新型植入式传感器，能够将工程细菌的细胞活动转换为可测量的电磁信号。
研究团队对改造后的细菌进行编程，使其在检测到特定分子时产生特定类型的蛋白质。这些蛋白质会加快周围电化学环境中的电子传递过程，从而引发由镁箔制成的天线发生可控降解。
随着镁制天线的逐步分解，其结构和尺寸的变化会直接影响其共振频率。外部设备通过监测频率的细微波动，即可推导出相关的电磁信号。
利用生物细胞作为传感能量来源
当前市场上的植入式医疗设备功能多样，涵盖了生命体征监测、疾病诊断到体内治疗等多个方面。然而，这些系统普遍存在一项不足——难以精准追踪体内的特定分子。
有人或许会质疑：难道血糖仪不是直接检测葡萄糖分子吗？实际上并非如此。多数血糖仪反映的是组织电信号的变化，并非直接探测葡萄糖分子。而具备体内特定分子检测能力的技术，将极大提升疾病相关生物标志物的识别效率，为实现疾病的早期诊断提供可能。
活体细胞具备高度灵敏的分子识别系统，可检测几乎所有与其接触的物质。研究人员借助合成生物学手段，对细菌进行基因改造，使其成为针对特定分子的定制化生物传感器。
该团队通过基因工程手段，使大肠杆菌表达细胞色素c成熟蛋白（Ccm），构建了可响应特定分子目标的合成基因回路。当细菌检测到目标分子时，该回路即被激活。
激活后，该基因回路增强电子传导能力，使细菌能够与镁金属天线表面发生反应。镁材料具备良好的生物相容性，并可在体内逐渐降解。
随着细菌活动引发天线材料的降解，其物理属性随之变化，进而改变其共振频率。佩戴于体表的接收装置可无线捕捉这些频率的波动，从而实现对植入设备的非侵入式监测。
研究团队还在模拟人体肌肉组织的体模中验证了该系统的可行性，实现了在25毫米深度下的分子级传感性能。该体模模拟了真实组织的电学特性。
这种技术若能扩展至多种生物工程细胞及分子靶点，有望彻底革新疾病监测方式，不再依赖传统活检或侵入性采样手段。
本文由桑朱克塔・蒙达尔撰写，萨迪・哈雷编辑，罗伯特・伊根负责事实核查与审核。这是由人类专业创作的科学内容。我们依赖广大读者对独立科学新闻事业的支持。如果您认同本篇报道的价值，欢迎考虑通过月捐等形式给予资助。作为回馈，您将获得无广告阅读体验。
更多信息请参阅：艾哈迈德・比勒尔等，《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》