隨天然和合成化學(xué)品對淡水的污染是一項全球環(huán)境挑戰(zhàn)。特別值得關(guān)注的是影響脊椎動物繁殖的化學(xué)物質(zhì)和刺激微生物繁殖的無機(jī)化合物,因為兩者進(jìn)入環(huán)境后都會產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)影響。由于化學(xué)物質(zhì)的釋放可能是動態(tài)且短暫的,因此需要在原位實時感測這些化學(xué)物質(zhì)實時化學(xué)傳感對于環(huán)境和健康監(jiān)測應(yīng)用至關(guān)重要。生物傳感器可以通過遺傳電路檢測多種分子,這些分子利用這些化學(xué)物質(zhì)觸發(fā)有色蛋白質(zhì)的合成,從而產(chǎn)生光學(xué)信號。然而蛋白質(zhì)表達(dá)的過程將這種傳感的速度限制在大約半小時,并且光信號通常很難在原位檢測。在這里研究人員將合成生物學(xué)和材料工程相結(jié)合,開發(fā)出可產(chǎn)生電讀數(shù)且檢測時間為幾分鐘的生物傳感器。通過對大腸桿菌進(jìn)行了編程,使其使用模塊化的八組件合成電子傳輸鏈產(chǎn)生電流,以響應(yīng)特定的化學(xué)物質(zhì)。按照設(shè)計,該菌株在接觸硫代硫酸鹽(一種導(dǎo)致微生物繁殖的陰離子)后2分鐘內(nèi)產(chǎn)生電流。然后對該電流傳感器進(jìn)行修改以檢測內(nèi)分泌干擾物。將蛋白質(zhì)開關(guān)納入合成途徑并用導(dǎo)電納米材料封裝細(xì)菌,使得能夠在3分鐘內(nèi)檢測出城市水道樣本中的內(nèi)分泌干擾物。研究結(jié)果提供了設(shè)計規(guī)則,以在質(zhì)量傳輸有限的檢測時間內(nèi)感測各種化學(xué)物質(zhì),并為微型、低功耗生物電子傳感器提供了一個新平臺,以保護(hù)生態(tài)和人類健康。


Unisense微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用


使用Unisense微呼吸系統(tǒng)(MicroRespiration)用于特定菌株表達(dá)硫化氫還原酶(SQRs)來監(jiān)測硫化物氧化的方法。其中硫化物監(jiān)測過程涉及一種硫化物微呼吸系統(tǒng)傳感器(Unisense),硫化氫微電極連接至一個四通道主機(jī)上。為了校準(zhǔn)硫化氫微呼吸傳感器,研究人員使用新鮮制備的硫化鈉溶液和1×M9鹽制作了一個八點標(biāo)準(zhǔn)曲線。在M9c培養(yǎng)基中培養(yǎng)至靜止期的細(xì)胞被清洗后,以特定濃度(OD600=0.5)重懸于1×M9鹽中。這種細(xì)胞懸浮液被轉(zhuǎn)移到一個unisense呼吸瓶內(nèi)進(jìn)行實驗。實驗過程中,在基線測量持續(xù)了2分鐘后,向微呼吸瓶中注入500微摩爾的硫化鈉。隨后每秒鐘測量一次硫化物的濃度,持續(xù)15分鐘。為了獲得可靠的數(shù)據(jù),此實驗在三個生物學(xué)獨(dú)立樣本上進(jìn)行,并報告了硫化物濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。


實驗結(jié)果


研究人員將合成生物學(xué)與材料工程相結(jié)合,開發(fā)出能夠快速且高效檢測環(huán)境中特定化學(xué)物質(zhì)的生物電子傳感器。通過利用改造后的大腸桿菌,在大腸桿菌中設(shè)計了一種合成電子轉(zhuǎn)移(ET)途徑,其中硫氧陰離子將電子流控制到電極,這些傳感器能在特定化學(xué)物質(zhì)的存在下,通過一個合成的電子傳遞鏈來產(chǎn)生電流,實現(xiàn)對特定化學(xué)物質(zhì)的迅速檢測。通過對微生物進(jìn)行編程來檢測觸發(fā)微生物快速生長和損害脊椎動物繁殖的污染物,從而并行克服這些挑戰(zhàn)。這些細(xì)胞與使用合成材料的電極連接,以增強(qiáng)條件EET的信噪比,表明該生物電子傳感器平臺可以檢測城市水道樣本中的不同化學(xué)物質(zhì)。開發(fā)的活體電子傳感器提供了一個可擴(kuò)展用于連續(xù)環(huán)境感測的平臺。實時傳感需要快速的分析物檢測,以便在不進(jìn)行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長時間準(zhǔn)確地運(yùn)行。

圖1、a,傳感器示意圖。從FNR到SIR的Fd依賴性ET將NADPH氧化與亞硫酸鹽還原耦合(輸入模塊),SQR使用硫化物氧化來還原醌(耦合模塊),CymA–MtrCAB使用對苯二酚氧化來驅(qū)動EET(輸出模塊)。IM,內(nèi)膜;OM,外膜。b,表達(dá)不同模塊的遺傳電路示意圖。c,BES的電流響應(yīng),工作電極相對于包含I C42A C?的標(biāo)準(zhǔn)氫電極(V SHE)處于+0.42 V O+或I C42A C?O?。來自I C42A C?O+的電流明顯大于I C42A C?O?引入BES后3小時(P=2.7×10?2)。d,表達(dá)Rc-SQR(370±21μmol s?1)或Gs的I C42A C?O?細(xì)胞對硫化物的氧化-SQR(230±14μmol s?1)明顯快于缺乏SQR(5.7±1.3μmol s?1)的細(xì)胞(P=1.75×10?5對于Rc-SQR和2.19×10?5對于Gs-SQR)。e、I+C?O+和I+C?的光密度(OD)O?培養(yǎng)物隨著aTc濃度的增加而增加。

圖2、(a)MLSS,(b)MLVSS,(c)Chl。a和(d)懸浮葉綠素。IFAS對照、MAIFAS和懸浮藻類對照SBR超過150天的a/生物量比率。在需氧階段采集生物質(zhì)樣品。在階段I的需氧序列期間,對所有反應(yīng)器應(yīng)用機(jī)械曝氣。在階段II的需氧序列期間,僅對MAIFAS和懸浮反應(yīng)器施加光。

圖3、a,示意圖描述了ET由4-HT調(diào)節(jié)的工程化Fd。b,用于4-HT傳感的2-EWE配置BES的示意圖,其中包含兩個工作電極:一個封裝I S C+O+應(yīng)變另一個含有I C42A C+O+菌株。c,I S C+O+相對于I C42A C+在2-EWE配置的BES中添加DMSO或4-HT后,工作電極保持在+0.42 V SHE。時間零表示添加4-HT或DMSO,這是在開始測量電流后大約95分鐘。d,I S C+O+電流相對于I C42A C+的增加百分比添加DMSO或4-HT后不同時間的O+,包括7.8分鐘(P=0.05)、15.6分鐘(P=7.9×10?3)和18.6分鐘(P=7.8×10?4),置信度分別為*95%、**99%和***99.9%。數(shù)據(jù)代表平均值,誤差線代表一個標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4、a,美國休斯頓城市水道采樣點地圖。b,將每個樣品的pH、溶液電阻和總有機(jī)碳(TOC)測量值與M9介質(zhì)進(jìn)行比較。pH范圍為6.85至8.04,溶液電阻范圍為0.044至3.787 kΩ,TOC范圍為0至17.05 mg l?1。c,I+C+O+電流響應(yīng)相對于I C42A C+使用每個環(huán)境樣品在2-EWE配置的BES中添加硫代硫酸鹽后。數(shù)據(jù)代表每個環(huán)境樣本中單個實驗的值。時間為零表示添加硫代硫酸鹽。d,示意圖說明用TiO2 TiN納米顆粒封裝傳感器以提高EET效率。e,I S C+O+電流響應(yīng)相對于I C42A C+在使用每個環(huán)境樣本的2-EWE配置的BES中添加4-HT或DMSO后。時間為零表示添加4-HT或DMSO。f,環(huán)境樣品中4-HT的檢測時間,置信度為*95%(P=0.034)和**99%(P=7.6×10?3)。數(shù)據(jù)代表在布雷斯河口(紅色)、布法羅河口(藍(lán)色)和加爾維斯頓海灘(綠色)的環(huán)境樣本中觀察到的值,誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差(n=6)。


結(jié)論與展望


本研究展示了一種結(jié)合合成生物學(xué)與材料工程的新方法,以開發(fā)快速、高效的生物電子傳感器。這些傳感器利用改造后的大腸桿菌來檢測環(huán)境中的特定化學(xué)物質(zhì)。通過一個由八部分組成的合成電子傳輸鏈,這些細(xì)菌能夠在接觸到特定化學(xué)物質(zhì)時產(chǎn)生電流,從而實現(xiàn)快速檢測。例如研究中的一種傳感器能夠在僅僅2分鐘內(nèi)檢測到硫代硫酸鹽,一種會導(dǎo)致微生物大量繁殖的陰離子。此外通過對傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步改造,研究人員還成功地使其能夠在3分鐘內(nèi)檢測城市水道樣本中的內(nèi)分泌干擾物。這項技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新之處在于融合了蛋白質(zhì)開關(guān)和導(dǎo)電納米材料,這不僅大大加快了檢測速度,還提高了傳感器的靈敏度和適用性。如此快速準(zhǔn)確的檢測能力使得這些傳感器成為環(huán)境監(jiān)測和保障人類健康的重要工具。本文開發(fā)的活體電子傳感器提供了一個可擴(kuò)展用于連續(xù)環(huán)境感測的平臺。實時傳感需要快速的分析物檢測,以便在不進(jìn)行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長時間準(zhǔn)確地運(yùn)行。它們的小型化和低功耗特性進(jìn)一步增強(qiáng)了其在各種場合的應(yīng)用潛力,為生態(tài)保護(hù)和健康監(jiān)測提供了一種全新的技術(shù)平臺。