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。特別值得關(guān)注的是影響脊椎動(dòng)物繁殖的化學(xué)物質(zhì)和刺激微生物繁殖的無(wú)機化合物，因為兩者進(jìn)入環(huán)境后都會(huì )產(chǎn)生嚴重的生態(tài)影響。由于化學(xué)物質(zhì)的釋放可能是動(dòng)態(tài)且短暫的，因此需要在原位實(shí)時(shí)感測這些化學(xué)物質(zhì)實(shí)時(shí)化學(xué)傳感對于環(huán)境和健康監測應用至關(guān)重要。生物傳感器可以通過(guò)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)表達的過(guò)程將這種傳感的速度限制在大約半小時(shí)，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)和材料工程相結合，開(kāi)發(fā)出可產(chǎn)生電讀數且檢測時(shí)間為幾分鐘的生物傳感器。通過(guò)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，以響應特定的化學(xué)物質(zhì)。按照設計，該菌株在接觸硫代硫酸鹽（一種導致微生物繁殖的陰離子）后2分鐘內產(chǎn)生電流。然后對該電流傳感器進(jìn)行修改以檢測內分泌干擾物。將蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)納入合成途徑并用導電納米材料封裝細菌，使得能夠在3分鐘內檢測出城市水道樣本中的內分泌干擾物。研究結果提供了設計規則，以在質(zhì)量傳輸有限的檢測時(shí)間內感測各種化學(xué)物質(zhì)，并為微型、低功耗生物電子傳感器提供了一個(gè)新平臺，以保護生態(tài)和人類(lèi)健康。

Unisense微呼吸系統的應用

使用Unisense微呼吸系統（MicroRespiration）用于特定菌株表達硫化氫還原酶（SQRs）來(lái)監測硫化物氧化的方法。其中硫化物監測過(guò)程涉及一種硫化物微呼吸系統傳感器（Unisense），硫化氫微電極連接至一個(gè)四通道主機上。為了校準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(gè)八點(diǎn)標準曲線(xiàn)。在M9c培養基中培養至靜止期的細胞被清洗后，以特定濃度（OD600=0.5）重懸于1×M9鹽中。這種細胞懸浮液被轉移到一個(gè)unisense呼吸瓶?jì)冗M(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗過(guò)程中，在基線(xiàn)測量持續了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15分鐘。為了獲得可靠的數據，此實(shí)驗在三個(gè)生物學(xué)獨立樣本上進(jìn)行，并報告了硫化物濃度的平均值和標準偏差。

實(shí)驗結果

研究人員將合成生物學(xué)與材料工程相結合，開(kāi)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(guò)利用改造后的大腸桿菌，在大腸桿菌中設計了一種合成電子轉移（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(guò)一個(gè)合成的電子傳遞鏈來(lái)產(chǎn)生電流，實(shí)現對特定化學(xué)物質(zhì)的迅速檢測。通過(guò)對微生物進(jìn)行編程來(lái)檢測觸發(fā)微生物快速生長(cháng)和損害脊椎動(dòng)物繁殖的污染物，從而并行克服這些挑戰。這些細胞與使用合成材料的電極連接，以增強條件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(kāi)發(fā)的活體電子傳感器提供了一個(gè)可擴展用于連續環(huán)境感測的平臺。實(shí)時(shí)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(cháng)時(shí)間準確地運行。

圖1、a，傳感器示意圖。從FNR到SIR的Fd依賴(lài)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(lái)還原醌（耦合模塊），CymA–MtrCAB使用對苯二酚氧化來(lái)驅動(dòng)EET（輸出模塊）。IM，內膜；OM，外膜。b，表達不同模塊的遺傳電路示意圖。c，BES的電流響應，工作電極相對于包含I C42A C?的標準氫電極(V SHE)處于+0.42 V O+或I C42A C?O?。來(lái)自I C42A C?O+的電流明顯大于I C42A C?O?引入BES后3小時(shí)(P=2.7×10?2)。d,表達Rc-SQR(370±21μmol s?1)或Gs的I C42A C?O?細胞對硫化物的氧化-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?培養物隨著(zhù)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(lèi)對照SBR超過(guò)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，對所有反應器應用機械曝氣。在階段II的需氧序列期間，僅對MAIFAS和懸浮反應器施加光。

圖3、a，示意圖描述了ET由4-HT調節的工程化Fd。b，用于4-HT傳感的2-EWE配置BES的示意圖，其中包含兩個(gè)工作電極：一個(gè)封裝I S C+O+應變另一個(gè)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(shí)間零表示添加4-HT或DMSO，這是在開(kāi)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(shí)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%。數據代表平均值，誤差線(xiàn)代表一個(gè)標準差。

圖4、a，美國休斯頓城市水道采樣點(diǎn)地圖。b，將每個(gè)樣品的pH、溶液電阻和總有機碳(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+電流響應相對于I C42A C+使用每個(gè)環(huán)境樣品在2-EWE配置的BES中添加硫代硫酸鹽后。數據代表每個(gè)環(huán)境樣本中單個(gè)實(shí)驗的值。時(shí)間為零表示添加硫代硫酸鹽。d，示意圖說(shuō)明用TiO2 TiN納米顆粒封裝傳感器以提高EET效率。e,I S C+O+電流響應相對于I C42A C+在使用每個(gè)環(huán)境樣本的2-EWE配置的BES中添加4-HT或DMSO后。時(shí)間為零表示添加4-HT或DMSO。f，環(huán)境樣品中4-HT的檢測時(shí)間，置信度為*95%(P=0.034)和**99%(P=7.6×10?3)。數據代表在布雷斯河口（紅色）、布法羅河口（藍色）和加爾維斯頓海灘（綠色）的環(huán)境樣本中觀(guān)察到的值，誤差線(xiàn)代表標準差(n=6)。

結論與展望

本研究展示了一種結合合成生物學(xué)與材料工程的新方法，以開(kāi)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(lái)檢測環(huán)境中的特定化學(xué)物質(zhì)。通過(guò)一個(gè)由八部分組成的合成電子傳輸鏈，這些細菌能夠在接觸到特定化學(xué)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生電流，從而實(shí)現快速檢測。例如研究中的一種傳感器能夠在僅僅2分鐘內檢測到硫代硫酸鹽，一種會(huì )導致微生物大量繁殖的陰離子。此外通過(guò)對傳感器系統的進(jìn)一步改造，研究人員還成功地使其能夠在3分鐘內檢測城市水道樣本中的內分泌干擾物。這項技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng )新之處在于融合了蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)和導電納米材料，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。如此快速準確的檢測能力使得這些傳感器成為環(huán)境監測和保障人類(lèi)健康的重要工具。本文開(kāi)發(fā)的活體電子傳感器提供了一個(gè)可擴展用于連續環(huán)境感測的平臺。實(shí)時(shí)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(cháng)時(shí)間準確地運行。它們的小型化和低功耗特性進(jìn)一步增強了其在各種場(chǎng)合的應用潛力，為生態(tài)保護和健康監測提供了一種全新的技術(shù)平臺。