隨天然和合成化學(xué)品對(duì)淡水的污染是一項(xiàng)全球環(huán)境挑戰(zhàn)。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(jī)化合物，因?yàn)閮烧哌M(jìn)入環(huán)境后都會(huì)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(dòng)態(tài)且短暫的，因此需要在原位實(shí)時(shí)感測(cè)這些化學(xué)物質(zhì)實(shí)時(shí)化學(xué)傳感對(duì)于環(huán)境和健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用至關(guān)重要。生物傳感器可以通過(guò)遺傳電路檢測(cè)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(hào)。然而蛋白質(zhì)表達(dá)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(hào)通常很難在原位檢測(cè)。在這里研究人員將合成生物學(xué)和材料工程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出可產(chǎn)生電讀數(shù)且檢測(cè)時(shí)間為幾分鐘的生物傳感器。通過(guò)對(duì)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(jì)，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(duì)該電流傳感器進(jìn)行修改以檢測(cè)內(nèi)分泌干擾物。將蛋白質(zhì)開(kāi)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(cè)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(jì)規(guī)則，以在質(zhì)量傳輸有限的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)感測(cè)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(tái)，以保護(hù)生態(tài)和人類(lèi)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(lái)監(jiān)測(cè)硫化物氧化的方法。其中硫化物監(jiān)測(cè)過(guò)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(gè)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(gè)八點(diǎn)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(gè)unisense呼吸瓶?jī)?nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在基線測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)在三個(gè)生物學(xué)獨(dú)立樣本上進(jìn)行，并報(bào)告了硫化物濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員將合成生物學(xué)與材料工程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能夠快速且高效檢測(cè)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(shè)計(jì)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(guò)一個(gè)合成的電子傳遞鏈來(lái)產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)的迅速檢測(cè)。通過(guò)對(duì)微生物進(jìn)行編程來(lái)檢測(cè)觸發(fā)微生物快速生長(zhǎng)和損害脊椎動(dòng)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(tái)可以檢測(cè)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(kuò)展用于連續(xù)環(huán)境感測(cè)的平臺(tái)。實(shí)時(shí)傳感需要快速的分析物檢測(cè)，以便在不進(jìn)行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)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(lái)還原醌（耦合模塊），CymA–MtrCAB使用對(duì)苯二酚氧化來(lái)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(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(dá)Rc-SQR(370±21μmol s?1)或Gs的I C42A C?O?細(xì)胞對(duì)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(duì)于Rc-SQR和2.19×10?5對(duì)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(duì)照、MAIFAS和懸浮藻類(lèi)對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)工作電極：一個(gè)封裝I S C+O+應(yīng)變另一個(gè)含有I C42A C+O+菌株。c，I S C+O+相對(duì)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(cè)量電流后大約95分鐘。d，I S C+O+電流相對(duì)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(shù)據(jù)代表平均值，誤差線代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4、a，美國(guó)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(jī)碳(TOC)測(cè)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(duì)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(shù)據(jù)代表每個(gè)環(huán)境樣本中單個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yīng)相對(duì)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(cè)時(shí)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(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(cè)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(xì)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(xiàn)快速檢測(cè)。例如研究中的一種傳感器能夠在僅僅2分鐘內(nèi)檢測(cè)到硫代硫酸鹽，一種會(huì)導(dǎo)致微生物大量繁殖的陰離子。此外通過(guò)對(duì)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(cè)城市水道樣本中的內(nèi)分泌干擾物。這項(xiàng)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(dǎo)電納米材料，這不僅大大加快了檢測(cè)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(cè)能力使得這些傳感器成為環(huán)境監(jiān)測(cè)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(kuò)展用于連續(xù)環(huán)境感測(cè)的平臺(tái)。實(shí)時(shí)傳感需要快速的分析物檢測(cè)，以便在不進(jìn)行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)合的應(yīng)用潛力，為生態(tài)保護(hù)和健康監(jiān)測(cè)提供了一種全新的技術(shù)平臺(tái)。