隨天然和合成化學品對淡水的污染是一項全球環(huán)境挑戰(zhàn)。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，因為兩者進入環(huán)境后都會產生嚴重的生態(tài)影響。由于化學物質的釋放可能是動態(tài)且短暫的，因此需要在原位實時感測這些化學物質實時化學傳感對于環(huán)境和健康監(jiān)測應用至關重要。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物質觸發(fā)有色蛋白質的合成，從而產生光學信號。然而蛋白質表達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和材料工程相結合，開發(fā)出可產生電讀數(shù)且檢測時間為幾分鐘的生物傳感器。通過對大腸桿菌進行了編程，使其使用模塊化的八組件合成電子傳輸鏈產生電流，以響應特定的化學物質。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分鐘內產生電流。然后對該電流傳感器進行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，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(guī)則，以在質量傳輸有限的檢測時間內感測各種化學物質，并為微型、低功耗生物電子傳感器提供了一個新平臺，以保護生態(tài)和人類健康。

Unisense微呼吸系統(tǒng)的應用

使用Unisense微呼吸系統(tǒng)（MicroRespiration）用于特定菌株表達硫化氫還原酶（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鹽制作了一個八點標準曲線。在M9c培養(yǎng)基中培養(yǎng)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unisense呼吸瓶內進行實驗。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獨立樣本上進行，并報告了硫化物濃度的平均值和標準偏差。

實驗結果

研究人員將合成生物學與材料工程相結合，開發(fā)出能夠快速且高效檢測環(huán)境中特定化學物質的生物電子傳感器。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物質的存在下，通過一個合成的電子傳遞鏈來產生電流，實現(xiàn)對特定化學物質的迅速檢測。通過對微生物進行編程來檢測觸發(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物質。開發(fā)的活體電子傳感器提供了一個可擴展用于連續(xù)環(huán)境感測的平臺。實時傳感需要快速的分析物檢測，以便在不進行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長時間準確地運行。

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動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(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(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，誤差線代表一個標準差。

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、溶液電阻和總有機碳(TOC)測量值與M9介質進行比較。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，誤差線代表標準差(n=6)。

結論與展望

本研究展示了一種結合合成生物學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)境中的特定化學物質。通過一個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物質時產生電流，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分鐘內檢測到硫代硫酸鹽，一種會導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。這項技術的關鍵創(chuàng)新之處在于融合了蛋白質開關和導電納米材料，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(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，以便在不進行樣品制備的情況下在不同的環(huán)境中長時間準確地運行。它們的小型化和低功耗特性進一步增強了其在各種場合的應用潛力，為生態(tài)保護和健康監(jiān)測提供了一種全新的技術平臺。