特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
研究背景
淡水受到天然和合成化學物質的污染是一項全球性的環境挑戰。特別值得關注的是影響脊椎動物繁殖的化學物質和刺激微生物繁殖的無機化合物，因為它們進入環境后都會產生嚴重的生態影響。由于化學物質的釋放可能是動態且瞬態的，需要在原位實時檢測這些化學物質。這種檢測也必須具有不同非生物條件的環境準確性。實時化學傳感對于環境和健康監測中的應用至關重要。生物傳感器可以通過基因電路檢測各種分子，利用這些化學物質觸發有色蛋白質的合成，從而產生光學信號。
關鍵問題
雖然生物傳感器可以滿足污染物監測需求，但仍存在以下問題：生物傳感器都依賴轉錄調節進行檢測，而蛋白質表達過程將這種傳感的速度限制半小時以上，光學信號通常很難原位檢測到。工程化的微生物雖然提供了機械完整性和支持連續傳感，但它們會衰減信號傳輸，進而降低信噪比和時間響應。
新思路
有鑒于此，美國萊斯大學Caroline M. Ajo-Franklin等人將合成生物學和材料工程相結合，開發出能夠產生電讀數且檢測時間為分鐘的生物傳感器。使用模塊化的、八組分合成的電子傳輸鏈對大腸桿菌進行編程，使其產生電流以響應特定的化學物質。按照設計，該菌株在暴露于硫代硫酸鹽后，在2分鐘內產生電流。然后，對電流傳感器進行了修改，以檢測內分泌干擾物。將蛋白質開關納入合成途徑，并用導電納米材料封裝細菌，可在3分鐘內檢測城市水道樣品中的內分泌干擾物。該研究結果提供了一種設計規則，可以用質量輸運模型有限的檢測時間來感知各種化學品，并為保護生態和人類健康的微型低功耗生物電子傳感器提供了一個新的平臺。
在大腸桿菌中設計了一種合成電子轉移（ET）途徑，制備了生物傳感器，并評估了各個模塊的性能，優化了輸出模塊的功能，并分析了其性能。作者構建了I+C+O+菌株，測量了硫代硫酸鹽依賴性EET。通過改進，獲得了更高的信噪比，信號強度及再現性，證實了工程菌株產生的電信號能夠快速、連續地檢測和定量硫代硫酸鹽。作者利用Fd開關以確定活體電子傳感器是否可以多樣化，證實了工程化Fd可測量合成ET途徑中非代謝中間體的分析物，并將響應時間減少了約4倍。作者證實了2-EWE傳感器在具有不同非生物特征的城市水樣中具有一致的功能，并通過改進實現了高度可再現的響應，提高了信噪比，獲得了更高的穩態電流和更快的響應時間。
技術優勢：
1、開發了超快的生物傳感器
作者開發了利用ET合成信號轉導方法，通過結合合成生物學和材料工程開發了生物傳感器，可以產生電子讀數，并將檢測時間由半小時以上縮短至幾分鐘。
2、實現了城市水道內分泌干擾物的快速測量
將蛋白質開關納入合成途徑，并用導電納米材料封裝細菌，可在3分鐘內檢測城市水道樣品中的內分泌干擾物。快速的響應時間非常適合于環境中瞬時化學暴露的連續監測。
3、開發了提高信噪比的改進方法
利用細胞封裝來實現比率傳感，并加入導電納米材料以提高EET的效率，這兩種方法都提高了信噪比，并導致了質量傳輸有限的響應時間。
4、為連續、實時環境傳感的設計提供了研究平臺
本文研制的活體電子傳感器為連續環境傳感提供了一個可擴展的平臺，可以在不同的環境中進行長時間的準確操作。
技術細節
傳感器設計
作者在大腸桿菌中設計了一種合成電子轉移（ET）途徑。使用硫代硫酸鹽來測試該策略，用三個模塊設計了硫代硫酸鹽依賴的ET途徑。為了評估各個模塊的性能，使用了基因組編碼和質粒編碼的遺傳電路的組合，使模塊組件能夠即插即用表達。為了優化輸出模塊的功能，作者分析了其表達、EET以及在不同誘導條件下對細胞適應度的影響。為了測量細胞色素的表達，監測了細胞顆粒的相對紅色。為了以高通量的方式評估EET，測量了誘導細胞還原細胞不可滲透的WO3納米棒的能力。使用最佳誘導策略，表明優化的輸出模塊是功能性的。作者確定了耦合模塊的SQR，并證明了細胞可以在表達輸出模塊的同時在輸入模塊中合成全蛋白。
硫代硫酸鹽的快速檢測和定量
為了確定ET通過全合成途徑是否依賴于硫代硫酸鹽，將所有三個模塊集成在一起以構建I+C+O+菌株，并在BES中測量浮游細胞的硫代硫酸鹽依賴性EET。結果表明整個通路就像一個硫代硫酸鹽傳感器。為了改善低信噪比，將每個菌株和工作電極封裝在藻酸鹽-瓊脂糖水凝膠中。與浮游細胞相比，封裝細胞對硫代硫酸鹽的反應具有更高的信噪比（平均增加30倍以上）。此外，相對于浮游細胞，它表現出更高的信號強度（增加>5倍）、更高的再現性（標準偏差減少>50%）和更高的線性（R2增加>10倍）。探討了該傳感器對不同硫代硫酸鹽濃度的響應，表明I+C+O+菌株的電流響應與硫代硫酸鹽濃度呈線性關系，證實了工程菌株產生的電信號能夠快速、連續地檢測和定量硫代硫酸鹽。圖 活體電子傳感器的封裝實現了硫代硫酸鹽的快速檢測和定量
傳感器多樣化
為了確定活體電子傳感器是否可以多樣化，以響應影響脊椎動物繁殖的化學物質，利用Fd開關在翻譯后對化學配體進行響應。為了量化每個反應器中4-HT誘導的電流變化，計算了IsC+O+應變相對于IC42AC+O+菌株的電流百分比差異。DMSO和4-HT信號的比較顯示，在7.8分鐘內以95%的置信度檢測到4-HT，信號強度增加0.93%±0.33%。盡管工程Fd產生的信號低于野生型Fd，但它能夠檢測合成ET途徑中非代謝中間體的分析物。因此，與以前的微生物生物電子傳感器相比，IsC+O+活電子傳感器按設計對4-HT作出響應，并將響應時間減少了約4倍。
圖 表達電子蛋白質開關的活體電子傳感器能夠快速檢測內分泌干擾物
城市水道樣品測量
在添加了硫代硫酸鹽或4-HT的河流和海洋樣品中測試了BES，證實2-EWE傳感器在具有不同非生物特征的城市水樣中具有一致的功能。由于這些城市水樣的導電性差且氧化還原活性化合物豐富可能會干擾生物電子傳感，引入了生物相容性和導電性TiO2@TiN納米復合材料進入包封基質以增加接觸表面并促進細菌-電極界面處的電子轉移。這些納米顆粒-活性傳感器混合物在裝置之間顯示出高度可再現的響應，提高了信噪比，并且在1mM硫代硫酸鹽存在下具有更高的穩態電流，并具有更快的響應時間。本工作開發的活體電子傳感器可用來專門檢測與環境相關的濃度和條件下的分析物，其傳質限制動力學比之前的狀態快十倍。圖 用導電納米顆粒封裝的活體電子傳感器能夠快速檢測環境中的污染物
展望
總之，本文研制的活體電子傳感器為連續環境傳感提供了一個可擴展的平臺。實時傳感需要快速的分析物檢測，在沒有樣品準備的情況下，可以在不同的環境中進行長時間的準確操作?；铙w電子傳感器可在各種環境條件下使用有限的儀器實時檢測目標化學品。為了實現長期的環境部署，可以將碳源和輔助化學品納入封裝矩陣，以優化非生物-生物界面的電信號傳輸。此外，這些傳感器可以被安裝到通過清除環境中存在的能量來自我供電的設備中。小型、可部署的實時生物電子傳感器可以分布在不同的環境位置，這將徹底改變監測化學品在生態系統中遷移的能力。這將為農業的可持續發展提供重要信息，減輕工業廢物排放的影響，并確保水安全。
參考文獻：
Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature(2022).
DOI：10.1038/s41586-022-05356-y
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y
