LifeLight
智能消防救援生物发光系统 · iGEM 2026
Biological Light in the Inferno
利用合成生物学工程化耐热细菌，使其在火灾高温中释放可穿透浓烟的生物荧光， 为消防员精准定位被困人员，在浓烟与烈焰中点亮生命之光。
01 BACKGROUND
项目背景 Why We Need a Biosensing Rescue Beacon
消防救援中最关键、也最致命的难题之一，是浓烟环境下的人员定位。浓烟会强烈散射可见光，热源又会干扰红外成像，导致救援决策被盲区支配。（[1]）
Search window
2min
在典型住宅火灾中，从烟感报警开始，人员可能只有1–2分钟完成撤离，时间越长风险越高。（[2]）
Golden minute
1min
烟雾与有毒气体可能在数分钟内造成失能，早期行动决定生存窗口。（[3]）
Firefighter safety
↑risk
迷失方向、被困等风险显著上升，救援者也可能成为受困者。（[4]）
核心痛点
-
可见光失效
浓烟强散射，能见度骤降，传统照明无法提供稳定线索。
-
红外易受干扰
火场高温背景会“淹没”目标热信号，误报/漏报风险高。
-
手动激活不可靠
失能、戴手套、紧急情况下难以操作任何开关。
我们的设计目标：无需手动、穿透浓烟、双通道定位、可控可灭活。
解决方案概览
我们提出基于工程化嗜热芽孢杆菌 Geobacillus thermodenitrificans 的热响应生物定位系统， 将工程菌封装于消防装备的纳米纤维层中：进入高温区域自动激活，输出近红外荧光与嗅觉标记，帮助定位受困消防员/被困人员。
Channel 1
近红外荧光定位
- 发射713nm（iRFP713）[5][6]
- 穿透浓烟能力为可见光的10–100倍
- 与热成像仪兼容，浓烟环境50m可检测
Channel 2
嗅觉标记定位
- 天然芳樟醇（Linalool）气味
- 浓度10–50 ppm：低于人类嗅觉阈值，搜救犬可识别
- 成分安全无毒，来源于植物精油（如薰衣草）
传统方案对比
| 传统方案 | 本系统 | 核心优势 |
|---|---|---|
| 化学荧光棒 | 近红外生物荧光 | 热激活，穿透浓烟10-100倍，无需手动操作 |
| 搜救犬训练依赖 | 生物嗅觉标记 | 天然芳樟醇气味，犬类敏感，人类嗅觉阈值以下 |
| 手动激活信标 | 自主温度感应 | 60°C自动激活，零延迟响应，消防员失能时仍有效 |
设计关键词
自动激活 · 穿透浓烟 · 双重定位 · 安全可控
系统设计与工作流程
以嗜热菌为“活体信标”，用温度作为输入，以近红外荧光 + 嗅觉标记作为输出，在浓烟、强热干扰中仍可实现稳定定位。
系统架构
输入层 → 处理层 → 输出层
Input layer
温度传感
当环境温度>60°C，触发热休克启动子启动表达，实现“进入火场自动点亮”。
Processing layer
表达调控
mRNA转录 → 蛋白翻译 → 成熟；通过强RBS与终止子模块，提高在短窗口内的信号输出。
Output layer
双通道输出
近红外荧光（713nm）+ 芳樟醇气味（10–50 ppm），分别面向“仪器检测”和“搜救犬定位”两种场景。
工作流程（Scenario）
-
1
进入火场：热触发
装备外层接触高温区域，热休克启动子开启表达。
-
2
信号输出：NIR + 气味
iRFP713提供穿透浓烟的近红外“点亮”，同时释放芳樟醇形成犬类可识别标记。
-
3
搜救定位：仪器/犬协同
救援者可用NIR相机或兼容热成像设备定位；犬队可通过嗅觉快速锁定范围。
-
4
撤离后：冷触发失活
当温度降至<40°C并持续一定时间后，启动自毁程序，降低环境残留风险。
封装与递送（Encapsulation）
聚己内酯（PCL）可生物降解[9]，提供机械保护；考虑到其熔点较低，实际部署时应由消防服外层阻燃面料屏蔽热通量（本项目将其定位为可更换的“载体层”）。
为工程菌提供微环境，同时抵御短时热冲击与剪切力。
提供营养与气体交换通道，帮助工程菌在装备内稳定存活与输出信号。
推荐集成部位：消防服背部（温度梯度最明显、利于触发与可视化）。
Activation
>60°C
进入火区自动激活
Fluorescence
713nm
近红外穿透浓烟
Odor marker
10–50 ppm
犬类可识别
Safety
3 locks
温度+营养+芽孢
实验验证方案 Validation Plan
让工程菌不只在实验室里“亮起来”，更能在真实应用中被安全地验证，是整个LifeLight推进过程中最关键的挑战之一。我们不仅要证明它“确实有效”，还要回答它是否稳定、是否安全、是否能够被规范封装和实际使用。
Validation Overview
Click to zoom4.1 功能验证实验
Method
- 37°C 培养至 OD₆₀₀=0.6
- 分组加热至 50/60/70/80°C
- 热激 30 分钟后测定 713nm 发射峰
Expected
60°C 时荧光强度为 37°C 的 10–15 倍。用于验证触发阈值与短时信号输出能力。
37°C · 50°C · 60°C · 70°C (trend illustration)
Flowchart
Fluorescence validation workflow (iRFP713)
Method
- 烟雾发生器模拟火场（能见度 < 5m）
- 荧光相机在不同距离检测信号
- 记录信号强度、持续时间与距离阈值
Expected
50m 距离可清晰检测，信号持续 >30 min。用于验证“穿透浓烟”与实战可用性。
NIR camera filter @ ~713 nm
Detection threshold = SNR criterion
Method
- GC-MS 检测培养液中 Linalool 浓度
- 记录释放曲线与持续时间
- 评估是否低于人类嗅觉阈值
Expected
浓度达到 10–50 ppm，持续释放 >1 h。用于保证“犬类可识别、对人不干扰”。
Flowchart
Linalool validation workflow (GC–MS)
实验7：纤维集成测试（PCL 静电纺丝）
Sandwich / co-spinning → SEM + tensile + MVTR + activation
4.2 安全性验证（Exp4–5）
Method
- 70°C 水浴 1h（模拟火场高温），立即转至 25°C（环境恢复）
- 0/24/48/72h 取样：梯度稀释涂板计数 CFU（3 技术重复）
- 营养缺陷验证：无胸苷 vs 加 100 μg/mL 胸苷平板（验证 ΔthyA）[10]
- PCR：iRFP713（~800bp）[5][6] / LinS（~1200bp）[7] / nuclease（~600bp）
- 芽孢染色（孔雀绿）+ 80°C 30min 耐热测试（验证 Δspo0A）
Pass criteria
- 72h 后活菌数 < 10² CFU/mL（相对 0h 下降 > 99.99%）
- 72h 时点 PCR 检测不到完整质粒关键片段
- 芽孢染色阴性；80°C 30min 后 CFU < 10 CFU/mL
Flowchart
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Method
- 土壤释放：100g 灭菌土壤接种 10⁷ CFU；Day 0/1/3/7 计数 + qPCR（检测限示例：10³ copies/g）
- 水体释放：500mL 灭菌河水/湖水接种至 10⁶ CFU/mL；过滤浓缩（0.22 μm）后计数
- 竞争实验：非灭菌土壤/水样中，以 1:100（工程菌:土著菌）接种，监测 14 天并可选 16S rRNA 测序
Pass criteria
- 7 天内活菌数下降 > 99%
- qPCR 检测不到目标基因（低于检测限）
- 在非灭菌环境中被土著菌群快速淘汰（趋势验证）
Flowchart
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4.3 封装技术开发（Exp6–7）
Design
- 正交设计（L9）：A 海藻酸钠 1/2/4%；B CaCl₂ 交联 10/30/60 min；C 壳聚糖包覆 0/0.5/1%
- 包埋效率：柠檬酸钠溶胶释放菌体后平板计数，目标 > 85%
- 机械强度：质构仪压缩破裂力，目标 > 0.2 N（推荐 > 0.3 N）
- 热稳定性：80°C 15/30/60 min 后存活率，目标 60min 后 > 70%（推荐 > 75%）
Recommended window
- 海藻酸钠：2–3%（中高粘度）
- CaCl₂：0.1 M
- 交联：30–45 min
- 壳聚糖：0.5%，30 min
Flowchart
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DELIVERABLE
输出一套可复现的封装流程（配方窗口 + 工艺参数 + QA 指标），让工程菌在装备中“可批量部署、可控失活、可安全回收”。
4.4 实验时间线与分工（4–6周）
第1周
实验1（3天）：热响应荧光；同时启动实验6（微胶囊正交设计）。
第2周
实验2（5天）：浓烟穿透；实验3（4天）：GC‑MS 芳樟醇定量与释放曲线。
第3周
实验4（7天）：自毁机制；实验7（7天）：纤维集成与性能表征。
第4–6周
实验5（10–14天）：环境风险评估；并行完成统计分析、作图与报告撰写。
4.5 数据分析与统计方法
描述性统计
均值 ± 标准差（Mean ± SD）、变异系数（CV）、箱线图展示分布。
显著性检验
双样本：Student’s t‑test；多组：One‑way ANOVA + Tukey HSD；非正态：Mann‑Whitney U / Kruskal‑Wallis。显著性水平 α=0.05（* / ** / ***）。
回归与相关性
线性回归（温度‑荧光、距离‑SNR 等）；Pearson/Spearman 相关系数。
4.6 预期挑战与解决方案
| 挑战 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 荧光信号弱 | 表达量低 / 光漂白 | 优化 RBS / 增加菌体浓度 / 抗光漂白策略 |
| 烟雾测试波动大 | 烟雾密度难稳定 | 可见度计实时监控 + 每次实验前校准；固定曝光/光路 |
| 芳樟醇检测不到 | 挥发损失 / 合酶活性低 | 密闭培养/顶空进样；LinS 密码子优化；检查前体（GPP） |
| 自毁不完全 | 核酸酶表达不足 | 增强启动子/延长观察到 7 天；加入多通路冗余 |
| 微胶囊破裂 | 交联不足 / 摩擦应力 | 提高 CaCl₂ 或增加壳聚糖包覆；优化尺寸分布 |
| 纤维膜荧光不均 | 胶囊分布不均 | 优化喷涂路径/采用共纺法；SEM 作为放行指标 |
4.7 安全与伦理注意事项
实验室安全（BSL‑1）
- 工程菌相关操作在 BSL‑1 条件与生物安全柜内进行
- 高温（70–80°C）操作注意烫伤；有机溶剂（正己烷、DCM）全程通风
- 烟雾测试在专用通风房间，佩戴防护面罩/呼吸器
伦理与法规
- 工程菌株与实验设计应获得机构生物安全委员会（IBC）审批
- 废弃物高压灭菌（121°C，30 min）后处置；实验记录完整可追溯
WET LAB
实验方法与参数 Protocols
让工程菌在实验里“按预期响应”，也让整个流程在记录中“经得起复现”，是LifeLight方法设计中的关键挑战。实验方法与参数不仅要写清楚做法，更要回答关键条件是什么、结果凭什么可信，以及这条技术路线能否被稳定重复。
纤维集成与封装相关方法
纤维集成测试（PCL electrospinning）[9]
Sandwich / co-spinning → SEM + tensile + MVTR + activation
Electrospinning
- PCL 10–15% (w/v)，溶剂 DCM:DMF = 4:1；室温搅拌过夜
- 电压 10–20 kV；推进 0.5–2.0 mL/h；收集距离 15–20 cm
- 目标纤维直径 200–500 nm（ImageJ 统计 100 根）
- 整合方式：夹心结构（纤维→喷涂胶囊→二次纺丝）或共纺法（胶囊分散于溶液）
- 冷冻干燥：-80°C 预冻 4h，冻干 24h（保持孔隙）
- 补充测试：耐磨/洗涤循环、长期储存（芽孢缺陷下的可用期）测试。
Performance targets
- 微胶囊分布均匀、无明显团聚（SEM）
- 拉伸强度 > 5 MPa；（可选）断裂伸长率 > 100%
- MVTR > 2000 g/m²/24h；静水压 > 5 kPa
- 60°C 热激活后荧光清晰、均匀可见（与样本基线对照）
Flowchart
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404 NOT FOUND
线路设计与实验验证、数学建模｜海报与视觉系统、人类实践｜网页制作
Xu Yihuan
线路设计与实验验证、数学建模
2022级临床医学五年制（无军籍）
团队中主要负责线路设计与实验验证、数学建模；擅长湿实验设计与建模操作，用标准生物元件组装出可控的细胞行为。
Zheng Chagui
海报制作、人类实践
2022级临床医学五年制（无军籍）
团队中主要负责海报、项目视觉系统设计以及人类实践部分。擅长将复杂的科学概念转化为直观的图形语言，熟练使用各类软件，致力于让合成生物学“好看又好懂”。
Zhang Shiyang
网页制作
2022级临床医学八年制（有军籍）
在团队中主要负责制作网页，精通各类前端框架的复制粘贴操作，努力让合成生物学项目出现在屏幕上。
03 ENGINEERING
基因线路与安全设计 Genetic Circuit & Biocontainment
让工程菌在火场中"看见"热、"喊出"光，是整个LifeLight系统最核心的设计挑战。基因回路既要灵敏响应温度变化，又要在救援结束后安全沉默。
3.1 热响应定位线路
dnaK promoter → strong RBS → iRFP713[5][6] + LinS[7] → double terminator
预期表现：在60°C热激条件下，荧光强度可达基础温度的10–15倍；近红外信号可穿透浓烟并兼容热成像设备检测。
关键元件（Parts）
| 元件编号 | 功能 | 序列来源 | 优化状态 |
|---|---|---|---|
| BBa_K115002 | 热休克启动子 | E.coli dnaK | 50+团队验证 |
| BBa_K1910002 | 近红外荧光蛋白 | R. palustris | 密码子优化 |
| Custom-LinS | 芳樟醇合酶 | Lavandula angustifolia | 嗜热适配（设计中） |
| BBa_K2789000 | 温敏自杀基因 | λ phage cI857 | 商业化应用 |
3.2 安全自毁线路
cspA promoter → delay (72h) → nuclease + lysis
三重安全锁（Triple Biocontainment）
温度感应自毁
<40°C 持续24小时触发核酸酶，降解质粒，降低遗传物质残留。
营养缺陷（ΔthyA）[10]
删除 thyA 基因，离开装备后难以获得必需营养，72小时内自然死亡。
芽孢缺陷（Δspo0A）
删除 spo0A，无法形成休眠体（芽孢），避免在环境中长期存活。
安全验证指标（目标）：常温后72小时 CFU < 102/mL，PCR 检测不到完整质粒；土壤/水体模拟释放7天内检测不到工程菌。
成本估算
单套总成本：≈ 300 元（规模化后预计可降至≈ 200 元）。
实施路径（Roadmap）
阶段1（6–12个月）
实验室验证，优化基因线路与触发阈值。
阶段2（12–18个月）
小规模试制100套，消防训练基地测试。
阶段3（18–36个月）
安全性评估与环境影响报告。
阶段4（36–48个月）
3–5个消防队试点，实战验证与迭代。
DEPLOYMENT NOTE
我们将“可部署性”视为工程设计的一部分：从材料耐热、微胶囊稳定性到安全自毁与验证标准，逐步构建从实验室走向训练基地再到真实消防队的路径。
DRY LAB
封装与材料设计 Encapsulation & Materials
火场对材料的要求极端：耐热、耐磨、可呼吸、可批量制造。我们采用多层结构，将工程菌固定在装备上，同时保证营养/气体交换与机械稳定。
多层封装结构
外层（PCL 纳米纤维）
耐热、耐磨并可降解，为微胶囊提供保护层。
中层（海藻酸钠-壳聚糖微胶囊）
固定工程菌并缓释信号分子，同时保持水分与微环境稳定。
内层（多孔硅基质）
提供营养与气体交换，提升工程菌长期可用性。
关键工艺参数（来自方案）
Microcapsule
海藻酸钠 1–4%
浓度影响微胶囊强度、孔隙与扩散。
Crosslink
CaCl₂ 10–60 min
交联时间影响机械强度与存活率。
Electrospinning
PCL 200–500 nm
纤维直径影响透气性与耐热冲击。
Stability
80°C 热稳定性
评估封装在高温下的结构与存活。
QA METRICS
- 细胞存活率（before/after encapsulation）
- 机械强度（pull/abrasion）
- 热稳定性（80°C exposure）
- SEM 观察微观结构
方案参数表
微胶囊推荐最优配方（用于 Exp6 的“最优窗口”与放行指标）
| 配方参数 | 推荐值 |
|---|---|
| 海藻酸钠浓度 | 2-3%（中高粘度） |
| CaCl₂浓度 | 0.1M |
| 交联时间 | 30-45分钟 |
| 壳聚糖包覆 | 0.5%，30分钟 |
| 包埋效率 | > 85% |
| 机械强度 | > 0.3 N |
| 热稳定性 | 80°C/1h后存活率 > 75% |
关键试剂配制（用于 Methods 的可重复性说明）
| 试剂名称 | 配制方法 |
|---|---|
| LB培养基 | 胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，NaCl 10g/L，pH 7.0 |
| PBS缓冲液 | NaCl 8g/L，KCl 0.2g/L，Na₂HPO₄ 1.44g/L，KH₂PO₄ 0.24g/L，pH 7.4 |
| 2%海藻酸钠 | 海藻酸钠粉末溶于蒸馏水，磁力搅拌过夜，高压灭菌 |
| 0.1M CaCl₂ | CaCl₂·2H₂O 1.47g溶于100mL蒸馏水，过滤灭菌 |
装备集成建议
位置
消防服背部：温度梯度明显，利于触发与定位。
维护
任务后冷触发失活，配合可更换模块，减少交叉污染。
兼容性
NIR 相机/热成像仪 + 犬队协同，无需改变现有救援流程。
DRY LAB
建模与参数化设计 Modeling (Design-Driven)
让系统对温度刺激实现可靠感知并驱动后续响应，是整个LifeLight设计中的核心难点。由于温度触发、表达动力学、信号传播与气体释放相互耦合，必须先明确关键参数及目标区间，才能为后续实验优化提供清晰依据。
数学建模概览
本页将“触发—表达—传播—嗅觉累积”四个环节拆分为可校准的简化模型，用于把设计目标转成可量化的实验判定节点，并在湿实验结果出来后反推关键参数区间。
触发阈值模型
用温度-启动子响应曲线刻画 dnaK 的激活窗口，指导“>60°C”阈值附近的灵敏度与误触发风险评估。
Example output
Activation probability vs. temperature
表达动力学
建立 mRNA 与蛋白表达/成熟的 ODE 模型，比较不同 RBS 强度与终止子设计对“短时间内输出”的影响。
Toy equations
dM/dt = α(T) − δM·M
dP/dt = β·M − δP·P
信号传播与衰减
通过烟雾散射与吸收参数，估计 713nm 近红外信号在不同能见度条件下的可检测距离；并加入相机灵敏度阈值作为判定标准。
Target
Maintain detectable SNR at 50 m (smoke)
芳樟醇合成与累积
建立“两室”气相累积的 ODE 模型，预测热激活后芳樟醇在密闭空间中的释放与气相浓度爬升，用于对照 GC–MS 的 10–50 ppm 判定阈值与持续释放 (>1 h) 目标。
- 输入：细胞内合成速率、挥发/传质系数、容器体积/通风换气。
- 输出：气相浓度-时间曲线、到达 10 ppm 的时间 t10、稳定区间。
- 用途：指导采样时间点与标准曲线浓度梯度设置。
参数清单（建议记录）
Temperature
>60°C / <40°C
热触发与冷触发阈值
Fluorescence
713 nm
发射峰/滤光片匹配
Odor
10–50 ppm
气味释放目标区间
Kill switch
24h + 72h
持续冷触发与延时窗口
WET LAB
元件清单与说明 Parts and Registry
让LifeLight里的每一个元件都“各司其职”、共同完成响应，是系统能否真正搭建起来的关键。元件清单不仅要说明我们用了什么，更要解释它们各自负责什么、为什么这样组合，以及这套设计是否真的具备现实操作的可行性。
核心元件表
| Part / 元件编号 | Role / 功能 | Source / 备注 | Registry |
|---|---|---|---|
| BBa_K115002 |
Heat shock promoter（dnaK） 热激活输入模块 |
E. coli dnaK promoter；用于 >60°C 温度响应 | Part:BBa_K115002 |
| BBa_B0034 |
Strong RBS 提高翻译效率 |
iGEM 常用标准 RBS，适合短窗口高表达 | Part:BBa_B0034 |
| iRFP713 |
Near‑infrared reporter (713nm) 近红外荧光输出 |
bacterial phytochrome‑derived FP；峰值 Ex/Em ≈ 690/713 nm |
FPbase: iRFP713 Addgene: iRFP713 plasmids |
| Custom‑LinS |
Linalool synthase 嗅觉标记输出 |
Lavandula angustifolia；建议做密码子优化与嗜热适配 |
UniProt: linalool synthase (Lavandula) NCBI Gene search |
| BBa_K2789000 |
Temperature‑sensitive kill switch module 安全控制/失活 |
λ phage cI857 温敏调控元件 | Part:BBa_K2789000 |
信号输出模块
iRFP713（713nm）用于穿透浓烟的近红外定位；LinS 负责合成芳樟醇形成嗅觉标记（10–50 ppm）。
安全控制模块
冷激活自毁线路与遗传隔离（ΔthyA / Δspo0A）[10]共同构成多重生物安全策略，支持“任务后自动失活”目标。
References
-
[1]
Koch N.; Niewiadomski A. P.; Wrona P. Influence of Light Wavelengths on Visibility in Smoke during a Tunnel Fire. Sustainability 2021, 13(21), 11599. DOI: 10.3390/su132111599
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[3]
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[4]
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Filonov G. S.; Piatkevich K. D.; Ting L.-M.; Zhang J.; Kim K.; Verkhusha V. V. Bright and stable near-infrared fluorescent protein for in vivo imaging. Nature Biotechnology 2011. DOI: 10.1038/nbt.1918
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[6]
FPbase. iRFP713 — Fluorescent Protein Database. FPbase entry
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[7]
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[8]
A review on chitosan and alginate-based microcapsules: mechanism and applications. ScienceDirect record
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[9]
Woodruff M. A.; Hutmacher D. W. The return of a forgotten polymer—Polycaprolactone in the 21st century. Progress in Polymer Science 2010. ScienceDirect record
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[10]
UniProtKB. thyA (Thymidylate synthase) — functional annotation. UniProt entry
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