人類肉眼不可見的福爾摩斯：一種合成微生物

    哈佛醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新的解決方案，可以幫助確定農(nóng)產(chǎn)品和其他商品的原產(chǎn)地，這種DNA條形碼微生物系統(tǒng)可用于以廉價、可擴展和可靠的方式標記物體。

    為了鑒定物體的來源地，研究人員開發(fā)了一種合成微生物系統(tǒng)

    這種DNA條形碼孢子可以噴灑在農(nóng)作物、制成品等物品表面，數(shù)月至數(shù)年后還能被檢測到

    這種條形碼孢子是安全的，它們來自普通和安全的微生物菌株，而且不能在野外生長

    利用該技術(shù)可以幫助確定食源性疾病的來源

    每年約約有4800萬美國人因食源性病菌患病，導(dǎo)致約128000人住院治療，3000人死亡。這一公共衛(wèi)生問題因產(chǎn)品召回造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟損失而雪上加霜，凸顯了迅速準確確定食源性疾病來源的必要性。

    然而，隨著全球供應(yīng)鏈對消費者可獲得的各種食品的日益復(fù)雜，追蹤受污染物品的確切來源的任務(wù)可能會變得困難。

    哈佛醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新的解決方案，可以幫助確定農(nóng)產(chǎn)品和其他商品的原產(chǎn)地，這種DNA條形碼微生物系統(tǒng)可用于以廉價、可擴展和可靠的方式標記物體。

    北京時間6月5日，該研究小組在《Science》雜志上發(fā)表報告，描述了如何將合成的微生物孢子安全地引入物體和表面源發(fā)地，如田地或制造廠，并在數(shù)月后被檢測和鑒定。

    這些孢子來自面包酵母和一種常見的細菌菌株，廣泛應(yīng)用于各種用途，如益生菌膳食補充劑，并被設(shè)計成不能在野外生長，以防止不利的生態(tài)影響。

    近年來，科學(xué)家們對微生物與環(huán)境之間的相互作用有了大量的了解。研究表明，家里、手機上、人體上以及其他地方的微生物群落都具有與指紋相似的獨特成分。然而，嘗試使用微生物指紋來鑒定出處可能會耗費時間，而且不容易成規(guī)模進行。

    而使用定制的合成DNA序列作為條形碼原則上已被證明是有效的食品標簽。為了廣泛應(yīng)用，DNA條形碼必須以低成本大量生產(chǎn)，在高度多變的環(huán)境中持續(xù)存在于物體上，并且能夠可靠而快速地解碼——這些障礙至今尚未克服，因為DNA是脆弱的。

    系統(tǒng)生物學(xué)副教授Michael Springer 團隊著手確定包裝在微生物孢子中的DNA條形碼是否有助于解決這些難題 ，許多微生物，包括細菌、酵母菌和藻類，在惡劣的環(huán)境條件下形成孢子。與種子類似，孢子能讓微生物保持非常長的休眠期，并在高溫、干旱和紫外線輻射等極端條件下生存。

    研究小組創(chuàng)建了定制的DNA序列，將它們整合到兩種微生物的孢子基因組中——釀酒酵母（也稱為面包酵母）和枯草芽孢桿菌（一種常見且廣泛存在的細菌，具有多種商業(yè)用途，包括作為膳食益生菌，一種土壤接種劑和某些食物中的發(fā)酵劑。這些孢子可以在實驗室大量廉價地生長。

    合成的DNA序列很短，不編碼任何蛋白質(zhì)產(chǎn)品，因此在生物學(xué)上是惰性的。這些序列被串聯(lián)插入基因組，這樣就可以產(chǎn)生數(shù)十億個獨特的條形碼。

    研究小組還確保了DNA條形碼孢子不能在野外繁殖、生長和傳播。他們通過使用需要特殊營養(yǎng)補充的微生物菌株和刪除孢子萌發(fā)和生長所需的基因來做到這一點。從數(shù)億到超過一萬億的改良孢子的實驗證實了它們不能形成菌落。

    為了讀取DNA條形碼，研究人員使用了一種廉價的基于CRISPR的工具，該工具能夠快速、高靈敏度地檢測到基因目標的存在。這項技術(shù)被稱為夏洛克（SHERLOCK），是由麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛大學(xué)Broad學(xué)院（Harvard）合作開發(fā)的，由該學(xué)院成員James Collins和張峰領(lǐng)導(dǎo)。

    “孢子可以在野外生存很長時間，而且它也是整合DNA條形碼的好媒介，”研究的第一作者之一、英國皇家科學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)研究生詹森?錢（Jason Qian）說?！白R別條形碼很簡單，用手機攝像頭上的讀板器和橙色塑料過濾器就行。我們不認為這對野外作業(yè)部署有任何挑戰(zhàn)。”

    Springer說：“李斯特菌、沙門氏菌和大腸桿菌等有害食源性病原體的爆發(fā)自然而頻繁。簡單、安全的合成生物學(xué)工具和基礎(chǔ)生物學(xué)知識使我們能夠創(chuàng)造出在解決現(xiàn)實世界安全問題方面具有很大潛力的東西。”