有生命的检测器——全细胞传感器

引言

我们生活在一个被传感器包围的时代。智能手机自动计步，电脑根据环境亮度自动调节屏幕，汽车感知车距并自动刹车，空调根据室温自动启停，吹一口气就能测出是否酒驾……

简单来说，传感器就像是一个“翻译官”，它能把各种各样可以被测量的信息，如温度、压力、声音、光线、距离或化学成分，翻译成电子设备能够处理的电学信号。

传感器都是冰冷的硬科技？非也。请想象一下有生命的传感器——就像在科幻电影中看到的那样：当水体污染时，鱼儿会发光；当空气中存在病毒时，植物会变色。如今，这已不再是科幻，而是正在发生的科技革命。这项全新技术被称为“全细胞传感器”，在环境污染物监测、食品安全检测、生物制造过程监控等领域显现出巨大的应用潜力。

它是什么？

有生命的细胞，经过分子生物学家一番“改造”，就能变身成为一台生物检测仪。它们既不需要精密的探头，也不需要复杂的电路，而是以发光或变色等方式，向我们传递周围环境的重要信息。这些细胞可以是细菌、酵母、藻类，甚至动植物细胞。细菌因生长迅速且环境适应性强，被使用的频率更高。

要想成为全细胞传感器，它们必须拥有两项基本“功夫”：

一曰“感知”。能够特异性地感知“目标”物质，如环境中的重金属污染物、粮食霉变产生的挥发物、食物中的毒素分子、农药或抗生素残留等。

二曰“报告”。能够将感知到的信息，转换为我们可以轻易识别的信号，如发光、变色或产生电信号等。

原理探秘

让我们把自己想象成纳米级（一米的十亿分之一）微粒，穿越生命阻隔，进入别有洞天的细胞内部，对全细胞传感器的精妙原理做一番探究。

细胞中有一类被称为“转录因子”的蛋白质，有几百到上千种之多。在全细胞传感器中，它们如同“哨兵”一般，肩负着感知信息的关键职责。当某些特殊物质，比如重金属镉离子或抗生素分子从环境中闯入细胞时，“哨兵”就会立刻“捕获”它们。

不同的“哨兵”各执其事——专盯镉的“哨兵”捕获镉离子、专盯抗生素的“哨兵”捕获抗生素。捕获了“猎物”的“哨兵”，其空间姿态必然发生改变，仿佛变成了一只“钥匙”，可以开启一把神秘的“锁”。

这把“锁”江湖人称“启动子”，它是基因组上的一小段DNA，连接在基因前面，是具有控制功能的“基因开关”。只有当“哨兵”开启了“基因开关”，它所控制的基因才能被激活，行使其功能，从而合成出各种各样的产物。

如果让“基因开关”控制某种“信号”基因，就能实现“报告”功能。人们通过基因工程的操作手段，在“基因开关”后连接上易于检测的基因。比如来自海洋细菌的荧光素酶基因，一旦它被激活，就能使细胞发出稳定而明亮的荧光。再如荧光蛋白基因，它的产物可以在特定波长的光激发下发出彩色荧光。还有一些“显色反应”蛋白基因，当加入特定物质时，能使细胞溶液改变颜色，等等。

全细胞传感器工作原理示意图

环境中的目标物浓度越高，被激活的基因越多，产生的报告信号就越强。通过测定报告信号强度，就可以得出目标物的浓度，实现定量检测。

显著的优越性

实验室使用的大型检测仪器成本昂贵，使用步骤复杂、耗时耗力，而全细胞传感器之所以备受青睐，是因为它具备传统仪器无法比拟的独特优势：

传统分析手段只能测出样品的量，但不代表它对生物产生的真实效果。总量高，并不代表作用大、效果强，因为有些物质无法被生物有效吸收或利用。而全细胞传感器测出的，是真正被细胞“吃进去”并产生作用的部分，这样的“活数据”更有直接价值。这是全细胞传感器最大的亮点。

传统的传感器往往只针对单一物质进行检测，但全细胞传感器经过改良后，能够检测外界物质对细胞的综合效应。例如可以建立“毒性综合检测器”，只要有任何物质对细胞造成了损伤，传感器就会报警。这对于检测未知有害物或混合有害物极具价值。如果将多种基因元件进行优化组合，形成多维传感网络，还能实现多因素复杂环境的感知分析。

利用AI辅助设计和新型基因改造技术，能够设计出更加专一、稳定的传感器元件，还能增强报告基因的强度，提高检测灵敏度，降低背景信号干扰。

全细胞传感器体型小、便携，便于进行现场快速检测。此外，有生命的细胞能够自我复制，有利于实现快速、低成本的规模化生产。

广泛的应用场景

镉、汞、砷、铅等重金属，一旦混入食物或饮用水，就可能对人体健康造成风险。针对这些重金属，科学家已经研发出多种具有极高灵敏度的全细胞传感器。

例如，一种基于大肠杆菌的砷传感器，在遇到含砷的水时，细菌会发出绿色荧光。将细菌固定在试纸上，插入水样中，几分钟后通过手机拍照分析荧光强度，即可判断饮用水是否安全。

玉米和花生容易滋生黄曲霉菌，产生强致癌物黄曲霉毒素。科研人员从大肠杆菌中鉴定出8个能显著响应黄曲霉早期霉变的“基因开关”，将它们组合成全细胞生物传感器阵列，融合AI机器学习模型，能够实现玉米和花生霉变程度与黄曲霉毒素含量的动态监测预警，为确保食品安全提供了全新的技术手段。

黄曲霉毒素B1的分子结构

当肉类腐败时，蛋白质分解会产生一些生物胺类物质。科学家开发出能感应生物胺的全细胞传感器，未来可以整合到食品包装的标签上。当肉品开始变质时，标签上的细菌就会发光或变色，从而更为直观地判断“赏味期限”。

挑战与展望

全细胞传感器是检测技术的一次飞越，然而要实现大规模应用，仍存在一些需要解决的问题。

如：有些细胞的感应灵敏度不如精密仪器，且针对不同物质可能存在交叉反应；要保持细胞活性，对温度、pH、营养等环境条件要求较高。

全细胞传感器基于生物大分子相互作用而建立，但目前，人们对生命微观奥秘的探索尚浅，可用于制作传感器的生物元件还不够丰富。此外，全细胞传感器通常是基因工程的产物，在使用前需确保环境释放的安全性。

全细胞传感器，是生物学与工程学交叉融合的结晶。它巧妙借助生物亿万年进化而来的精密的物质识别系统，通过控制基因开关，将微观世界的信号传递给我们。虽然目前它还不能取代精准的分析仪器，但它代表着全新的“活体检测”理念，必将成为人们探测微观世界的有力工具。

感谢中国农科院农产品加工研究所粮油减损与真菌毒素防控创新团队学术指导

参考文献：

1.李赛月，等，微生物全细胞传感器在芳香族化合物检测中的研究进展，生物工程学报，2024, 40(9): 2899

2.王明月，等，重金属全细胞微生物传感器：设计原理、优化策略及监测应用，微生物学报，2025, 65(3): 1033

3.Sun L., et al., A novel approach for predicting aflatoxin B1 production using regression models and whole-cell biosensors in moldy maize and peanut kernels, Journal of Hazardous Materials, 2025, 498: 139883

4.Ma J., et al., Accurate and non-destructive monitoring of mold contamination in foodstuffs based on whole-cell biosensor array coupling with machine-learning prediction models, Journal of Hazardous Materials, 2023, 449: 131030