随天然和合成化学品对淡水的污染是一项全球环境挑战。特别值得关注的是影响脊椎动物繁殖的化学物质和刺激微生物繁殖的无机化合物，因为两者进入环境后都会产生严重的生态影响。由于化学物质的释放可能是动态且短暂的，因此需要在原位实时感测这些化学物质实时化学传感对于环境和健康监测应用至关重要。生物传感器可以通过遗传电路检测多种分子，这些分子利用这些化学物质触发有色蛋白质的合成，从而产生光学信号。然而蛋白质表达的过程将这种传感的速度限制在大约半小时，并且光信号通常很难在原位检测。在这里研究人员将合成生物学和材料工程相结合，开发出可产生电读数且检测时间为几分钟的生物传感器。通过对大肠杆菌进行了编程，使其使用模块化的八组件合成电子传输链产生电流，以响应特定的化学物质。按照设计，该菌株在接触硫代硫酸盐（一种导致微生物繁殖的阴离子）后2分钟内产生电流。然后对该电流传感器进行修改以检测内分泌干扰物。将蛋白质开关纳入合成途径并用导电纳米材料封装细菌，使得能够在3分钟内检测出城市水道样本中的内分泌干扰物。研究结果提供了设计规则，以在质量传输有限的检测时间内感测各种化学物质，并为微型、低功耗生物电子传感器提供了一个新平台，以保护生态和人类健康。


Unisense微呼吸系统的应用


使用Unisense微呼吸系统（MicroRespiration）用于特定菌株表达硫化氢还原酶（SQRs）来监测硫化物氧化的方法。其中硫化物监测过程涉及一种硫化物微呼吸系统传感器（Unisense），硫化氢微电极连接至一个四通道主机上。为了校准硫化氢微呼吸传感器，研究人员使用新鲜制备的硫化钠溶液和1×M9盐制作了一个八点标准曲线。在M9c培养基中培养至静止期的细胞被清洗后，以特定浓度（OD600=0.5）重悬于1×M9盐中。这种细胞悬浮液被转移到一个unisense呼吸瓶内进行实验。实验过程中，在基线测量持续了2分钟后，向微呼吸瓶中注入500微摩尔的硫化钠。随后每秒钟测量一次硫化物的浓度，持续15分钟。为了获得可靠的数据，此实验在三个生物学独立样本上进行，并报告了硫化物浓度的平均值和标准偏差。


实验结果


研究人员将合成生物学与材料工程相结合，开发出能够快速且高效检测环境中特定化学物质的生物电子传感器。通过利用改造后的大肠杆菌，在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径，其中硫氧阴离子将电子流控制到电极，这些传感器能在特定化学物质的存在下，通过一个合成的电子传递链来产生电流，实现对特定化学物质的迅速检测。通过对微生物进行编程来检测触发微生物快速生长和损害脊椎动物繁殖的污染物，从而并行克服这些挑战。这些细胞与使用合成材料的电极连接，以增强条件EET的信噪比，表明该生物电子传感器平台可以检测城市水道样本中的不同化学物质。开发的活体电子传感器提供了一个可扩展用于连续环境感测的平台。实时传感需要快速的分析物检测，以便在不进行样品制备的情况下在不同的环境中长时间准确地运行。

图1、a，传感器示意图。从FNR到SIR的Fd依赖性ET将NADPH氧化与亚硫酸盐还原耦合（输入模块），SQR使用硫化物氧化来还原醌（耦合模块），CymA–MtrCAB使用对苯二酚氧化来驱动EET（输出模块）。IM，内膜；OM，外膜。b，表达不同模块的遗传电路示意图。c，BES的电流响应，工作电极相对于包含I C42A C−的标准氢电极(V SHE)处于+0.42 V O+或I C42A C−O−。来自I C42A C−O+的电流明显大于I C42A C−O−引入BES后3小时(P=2.7×10−2)。d,表达Rc-SQR(370±21μmol s−1)或Gs的I C42A C−O−细胞对硫化物的氧化-SQR(230±14μmol s−1)明显快于缺乏SQR(5.7±1.3μmol s−1)的细胞(P=1.75×10−5对于Rc-SQR和2.19×10−5对于Gs-SQR）。e、I+C−O+和I+C−的光密度(OD)O−培养物随着aTc浓度的增加而增加。

图2、(a)MLSS，(b)MLVSS，(c)Chl。a和(d)悬浮叶绿素。IFAS对照、MAIFAS和悬浮藻类对照SBR超过150天的a/生物量比率。在需氧阶段采集生物质样品。在阶段I的需氧序列期间，对所有反应器应用机械曝气。在阶段II的需氧序列期间，仅对MAIFAS和悬浮反应器施加光。

图3、a，示意图描述了ET由4-HT调节的工程化Fd。b，用于4-HT传感的2-EWE配置BES的示意图，其中包含两个工作电极：一个封装I S C+O+应变另一个含有I C42A C+O+菌株。c，I S C+O+相对于I C42A C+在2-EWE配置的BES中添加DMSO或4-HT后，工作电极保持在+0.42 V SHE。时间零表示添加4-HT或DMSO，这是在开始测量电流后大约95分钟。d，I S C+O+电流相对于I C42A C+的增加百分比添加DMSO或4-HT后不同时间的O+，包括7.8分钟（P=0.05）、15.6分钟（P=7.9×10−3）和18.6分钟（P=7.8×10−4)，置信度分别为*95%、**99%和***99.9%。数据代表平均值，误差线代表一个标准差。

图4、a，美国休斯顿城市水道采样点地图。b，将每个样品的pH、溶液电阻和总有机碳(TOC)测量值与M9介质进行比较。pH范围为6.85至8.04，溶液电阻范围为0.044至3.787 kΩ，TOC范围为0至17.05 mg l−1。c,I+C+O+电流响应相对于I C42A C+使用每个环境样品在2-EWE配置的BES中添加硫代硫酸盐后。数据代表每个环境样本中单个实验的值。时间为零表示添加硫代硫酸盐。d，示意图说明用TiO2 TiN纳米颗粒封装传感器以提高EET效率。e,I S C+O+电流响应相对于I C42A C+在使用每个环境样本的2-EWE配置的BES中添加4-HT或DMSO后。时间为零表示添加4-HT或DMSO。f，环境样品中4-HT的检测时间，置信度为*95%(P=0.034)和**99%(P=7.6×10−3)。数据代表在布雷斯河口（红色）、布法罗河口（蓝色）和加尔维斯顿海滩（绿色）的环境样本中观察到的值，误差线代表标准差(n=6)。


结论与展望


本研究展示了一种结合合成生物学与材料工程的新方法，以开发快速、高效的生物电子传感器。这些传感器利用改造后的大肠杆菌来检测环境中的特定化学物质。通过一个由八部分组成的合成电子传输链，这些细菌能够在接触到特定化学物质时产生电流，从而实现快速检测。例如研究中的一种传感器能够在仅仅2分钟内检测到硫代硫酸盐，一种会导致微生物大量繁殖的阴离子。此外通过对传感器系统的进一步改造，研究人员还成功地使其能够在3分钟内检测城市水道样本中的内分泌干扰物。这项技术的关键创新之处在于融合了蛋白质开关和导电纳米材料，这不仅大大加快了检测速度，还提高了传感器的灵敏度和适用性。如此快速准确的检测能力使得这些传感器成为环境监测和保障人类健康的重要工具。本文开发的活体电子传感器提供了一个可扩展用于连续环境感测的平台。实时传感需要快速的分析物检测，以便在不进行样品制备的情况下在不同的环境中长时间准确地运行。它们的小型化和低功耗特性进一步增强了其在各种场合的应用潜力，为生态保护和健康监测提供了一种全新的技术平台。