武学前沿｜可编程细菌传感器实时检测目标污染物

在检测环境中的污染物时，对速度的需求是显而易见的。生物传感器可以检测多种分子，这些分子会触发色素蛋白的合成，进而产生光信号。然而，依赖于蛋白质表达的传感器需要长达半小时才能产生一个固有的难以检测的光学信号。更快的生物传感器对于补救至关重要。

莱斯大学的研究人员对细菌进行了改造，并将其连接到电极上，从而创造出可以在几分钟内检测到污染物的生物电子传感器。莱斯大学生物科学教授Caroline Ajo-Franklin和Jonathan Silberg博士是这项研究的资深作者，Joshua Atkinson博士和Lin Su博士是11月2日发表在《自然》杂志上的主要作者。

研究结果表明，细菌细胞可以被编程为对特定化学污染物的存在产生可检测的电流。此外，这些生物传感器在监测河流、农场、工业和废水处理厂以确保水体的安全和保障时，可以从环境中获取能量来为自己供电。

研究人员利用常见的大肠杆菌，通过对合成电子传输链进行编程，以产生化学感应电流。

Silberg说：“我认为这是迄今为止建立的最复杂的实时信号传导蛋白质途径。该链有八个控制电子流动的组件，但还有其他组件可以构建进入分子的导线。有十几个组件和近30个金属或有机辅助因子。与我们的线粒体呼吸链之类的东西相比，这东西是巨大的。”

Ajo-Franklin说：“它实际上是一个微型电子开关。你将探头放入水中并测量电流。就是这么简单。我们的设备不同，因为微生物被包裹起来了，我们不会将它们释放到环境中。”

科学家们遇到的挑战之一是将细菌附着在电极上。Ajo-Franklin说：“它们不会自然地粘在电极上，我们使用的是不会形成生物膜的菌株，所以当我们加水时，它们会脱落。”

为了解决这个问题，Ajo-Franklin实验室的博士后研究员、该研究的合著者Xu Zhang博士将传感器封装在惰性琼脂糖外壳中，允许污染物进入，但传感器保持在原位，从而减少信号干扰。

在他们的原型中，研究人员设计了一种细菌传感器，可以在两分钟内检测到硫代硫酸盐。硫代硫酸盐用于水处理，可导致藻类大量繁殖。他们在从加尔维斯顿海滩、休斯顿布雷斯和布法罗河口收集的水中测试了他们的初始设备。实时传感器能够感应到低于每升0.25毫摩尔的硫代硫酸盐，这远低于对鱼类有毒的水平。

在另一项设计中，研究人员对大肠杆菌进行了编程，以检测一种内分泌干扰物：4-羟基三苯氧胺(4-HT)。当Su在封装的生物传感器中加入定制合成的导电纳米颗粒时，信号会大大增强。使用生物传感器，研究人员能够在三分钟内检测到城市水道样本中的内分泌干扰物，比早期最先进的设备快十倍。

在其他潜在应用中，Silberg认为工程微生物可以监测肠道微生物组、感知病毒并在未来改善污水处理厂。

Silberg说：“对于这些瞬态脉冲，实时监控变得非常重要。而且因为我们种植了这些传感器，它们的制造成本可能非常便宜。”

Silberg的团队正在与莱斯大学化学和生物分子工程教授Rafael Verduzco博士、贝克研究所高级研究员Kirstin Matthews博士以及莱斯大学土木和环境工程助理教授Lauren Stadler博士合作，开发真正的实时废水监测。

原文链接：

https://www.genengnews.com/topics/bioprocessing/bioprocessing-operations/programmable-bacterial-sensors-detect-target-contaminants-in-real-time/

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