《Nature Communications》：Wireless in-body sensing through genetically engineered bacteria
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为破解“体内实时分子检测”难题，研究团队将合成生物学与微波无源天线融合，构建出由基因工程E.coli调控的AntennAlive植入传感器；实验证实，细菌通过CcmA–H电子传递链加速镁天线降解，25 mm深度下无线背向散射信号可稳定读取，首次实现无需电池与集成电路的活体分子级遥测，为早诊与精准医疗提供可扩展平台。
研究背景
想象一下，如果把医院实验室“浓缩”成一粒米大小的植入物，让它悄悄潜伏在肌肉里，实时报告疾病信号，而患者只需戴上一块“手表”就能读取数据——这听起来像科幻，却是《Nature Communications》2025年11月25日在线发表的最新成果。随着全球老龄化加剧，传统“抽血—等报告”模式已无法满足爆炸式增长的早筛需求；现有植入式设备只能测温度、压力等物理量，对癌症、感染等特异性分子却“视而不见”。更棘手的是，电磁波在组织里衰减剧烈，毫米级天线信号一出皮肤就“失联”，而厘米级天线又太大。如何既做“小天线”，又传“分子信号”？土耳其与美国联合团队给出的答案是：让细菌“啃”掉天线，把分子事件直接翻译成无线脉冲。
研究设计与结论
作者提出“AntennAlive”概念：用基因工程E.coli作为“生物扳机”，控制镁制split-ring天线的腐蚀速度；天线断裂瞬间，背向散射频率跳变，外部穿戴式读头即可捕获这一跳频，实现“0电池、0芯片”的无线传感。为验证可行性，团队开展三步实验：①构建能加速镁降解的CcmA–H电子传递链；②设计可光学追踪的25 μm镁天线；③在肌肉仿体25 mm深处建立无线链路。结果显示，工程菌使天线完全断裂由14 h缩短至8 h，跳频信号与视觉断裂时刻同步，且读头可在55 mm深处仍检测到谐振。该研究首次打通“分子识别—材料降解—无线报告”全链条，为无需更换电池的“电子哨兵细胞”奠定技术基础。
关键技术方法
合成生物学：将Shewanella oneidensis MR-1的CcmA–H细胞色素成熟系统导入E.coli BL21(DE3)，搭建异源EET通路。
微加工：用MITS AutoLab雕刻25 μm镁箔，制备11 mm×11 mm split-ring谐振器。
背向散射无线测量：两端口cross-slot穿戴天线连接VNA，每5 min采集S参数；相机同步拍照，Python自动校准。
组织仿体：去离子水–甘油–NaCl调配透明肌肉仿体，介电常数与52号文献误差<7%。
研究结果
Genetically modified bacteria
——将CcmA–H表达盒置于组成型启动子下，工程菌在MOPS+乳酸中呈现更高氧化电流，证实EET功能成功移植至E.coli。
Degradation speed control
——6孔板镁条实验显示，BL21CcmA–H组24 h像素消失率比野生组高40%，说明基因线路显著加速腐蚀。
Implant antenna design
——HFSS仿真表明，完整环谐振1.16 GHz，断裂后跳至1.91 GHz，频移覆盖读头带宽（0.8–2.3 GHz），为跳频编码提供窗口。
On-body reader antenna design
——cross-slot结构使|S|<–30 dB，端口隔离度满足深部植入通信需求。
Phantom-based validation
——25 mm深度下，Δ|S|峰值与视觉断裂同步；55 mm仍可读，证明系统具备临床可用深度。
研究结论与讨论
文章指出，把“活细胞”作为传感元件，可借助其天然的高特异性识别能力，绕过传统电化学电极或光纤的限制；而利用“材料降解”而非“电路输出”来报告信号，则彻底摆脱电池与集成电路，降低植入体积与生物相容性风险。未来只需替换感应启动子，即可让同一套“镁天线+电子传递链”平台检测核酸、蛋白、代谢物等多类分子，实现癌症早筛、感染追踪、药效评估等多重应用。作者也坦承，仍需优化CcmH/CcmI杂交蛋白的诱导表达剂量，并引入转录因子级联放大信号，才能在复杂体内环境中提供稳健输出。但整体而言，该研究首次实现“基因线路—材料失效—无线比特”闭环，为“活体生物电子学”树立新范式，预示着真正的“体内实验室”时代或将来临。
