微生物作为生命活动的核心参与者，与人类健康存在密切的共生关系。微生物群落通过调控宿主的代谢、免疫、及神经网络，对健康维持和疾病发展产生系统性影响。对微生物进行遗传改造，可进一步强化其在疾病诊疗与健康促进上的作用，例如利用工程菌传感器可检测炎症、肿瘤、代谢病等标志物（如血红素、氮氧化合物、乏氧、尿酸等），也可通过工程菌生产递送治疗物（如小分子化合物、酶、多肽、疫苗或抗体等），对相关疾病进行干预治疗。工程菌在机体中发挥诊疗功能的过程具有难以监测、难以控制的特征，人们难以通过某种信号媒介来与在体工程菌建立信息交流。这就限制了利用工程菌进行原位监测、精准诊疗与个性化治疗。
光信号是一种具有较高时空分辨率和强度可控性的信号，尤其对于在体的“黑暗”环境中（如消化道、器官组织中），光信号可作为一种特异性的信号媒介。利用光信号既可以作为工程细胞的识别信号，也可以作为工程细胞的控制信号，这就是光遗传技术。将该技术用于工程菌的监测与控制，可建立信息交流的桥梁。在疾病诊断方向，当工程菌感知到特定生物标志物时，其胞内信号通路被激活，触发荧光素酶/荧光蛋白的表达，工程菌可发出光信号。在疾病治疗方向，以特定强度、波长的光照射工程菌，可激活其内部感光线路的功能，诱导治疗物的生产与分泌。在这方面，天津大学医学部生命科学学院的王汉杰团队是国内外最早开展“光遗传工程菌”疾病诊疗应用的团队之一。
经过近些年的持续科研攻关，王汉杰团队将合成生物学、微电子与纳米材料科学结合在一起，已经设计构建了多样化的光遗传工程菌的“生物-材料-电子”杂合体系，用于肠炎、糖尿病、肿瘤、以及基于“微生物-肠道-器官轴”的肾炎、神经系统疾病的干预治疗。2025年7月15日，天津大学医学部生命科学学院王汉杰团队在《Biotechnology Advances》期刊发表了题为“Advances in optogenetically engineered bacteria in disease diagnosis and therapy”的综述文章。该综述的第一作者是生命科学学院王慧副教授，共同通讯作者是生命科学学院王汉杰教授、刘夺副研究员。该综述系统性总结了工程化细菌发出光信号、响应光学信号的基本设计原理，以及用于监测与调控细菌行为的机制；针对光控细菌在体内应用面临的核心挑战，如光激发受限、递送靶向性不足、信号追踪与管理困难，提出了多学科解决方案；重点评述了光响应细菌在肠道疾病、肿瘤、代谢病、神经疾病等疾病诊疗中的最新进展，并探讨了加速临床转化的路径。
值得注意的是，该综述也展望了“光遗传工程菌”与多学科深度交叉融合的发展趋势，特别是与电子科学、人工智能等学科技术的交叉融合，形成“活生物电子系统”（living bioelectronics），有望在机体与工程菌之间建立信息交流的“菌-机接口”。然而，这样的“菌-机接口”创建仍然存在一系列的困难与挑战：（1）如何建立“菌→机”的光学接口？工程菌的发光信号能否被电子器件稳健地感知？工程菌的活性、二者之间的时空关系对该过程有何影响？（2）如何建立的“机→菌”的光学接口？电子器件发出的光能否高效地激活工程菌的功能？这个过程如何实现可控性？（3）工程菌-电子之间这种“菌-机”交流能否通过无线通讯的形式被人类监控到？（4）这种“菌-机接口”能否用于基于动物模型的疾病诊疗过程？目前，王汉杰团队正在进行相关方向的科研攻关，相信在不久的将来会取得关键技术的突破。“菌-机接口”技术作为新一代智能化、可视化的光遗传工程菌技术，有望以高度可控、精准且非侵入的方式为疾病诊断与治疗提供变革性策略。
相关链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2025.108645
