Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants

環境污染物的實時生物電子傳感

來源：Journal Nature, 611(7936)  ISSN  0028-0836

 

摘要核心內容

 

開發了一種基于合成生物學與材料工程的實時生物電子傳感器，通過編程大腸桿菌構建化學門控電子傳遞鏈：

 

響應時間縮短至 <2分鐘（比傳統生物傳感器快4倍）

可檢測硫代硫酸鹽（引發微生物水華）和內分泌干擾物（如4-羥他莫昔芬）

在復雜環境水樣中實現質量傳遞限制級響應速度

 

研究目的

 

解決環境污染物實時監測難題：

 

傳統光學傳感器：信號傳輸慢（≥30分鐘），信噪比低

現有生物電化學傳感器：依賴轉錄調控，響應遲緩

復雜水體環境（如城市河道）干擾強，需高魯棒性檢測方案

 

研究思路

 

三重創新策略（圖1）：

 

合成電子傳遞鏈設計

輸入模塊：硫代硫酸鹽→硫化氫（FNR/Fd/SIR酶系）

耦合模塊：硫化氫→醌還原（Rc-SQR氧化酶）

輸出模塊：醌→電極電子傳遞（CymA-MtrCAB復合體）

蛋白質開關工程

將雌激素受體配體結合域整合至鐵氧還蛋白（Fd），構建4-HT門控電子開關（圖3A）

材料封裝增強

藻酸鹽-瓊脂糖水凝膠封裝細胞（圖2A-B）

摻入TiO?@TiN納米復合材料提升電極傳導性（圖4D）

 

關鍵數據測量及意義

1. 模塊功能驗證（圖1 & 表S1-S2）

 

輸出模塊優化：10μM IPTG誘導時電流最大，細胞生長抑制最?。▓DS1）

耦合模塊篩選：Rc-SQR比Gs-SQR硫化氫氧化速率快1.8倍（圖1D）

靈敏度閾值：硫代硫酸鹽>0.25 mM可觸發電子傳遞（圖S3D-E）

 

2. 封裝傳感器性能（圖2）

 

信噪比提升：水凝膠封裝使信號強度提高5倍，標準差降低50%（圖2C）

響應線性度：0.1-20 mM硫代硫酸鹽檢測R2>0.98（圖2D）

檢測速度：0.4 mM硫代硫酸鹽≤4分鐘（p<0.05）（圖2E）

 

3. 蛋白質開關響應（圖3）

 

4-HT檢測：7.8分鐘內置信度95%（電流增幅0.9%）（圖3D）

特異性驗證：DMSO溶劑無假陽性（圖3C）

 

4. 環境水樣測試（圖4）

 

多地點驗證：Galveston海灘/休斯頓河道（pH 6.85-8.04，TOC≤17.05 mg/L）

納米材料增效：TiO?@TiN使信號強度提升2倍

實際檢測速度：4-HT在河道水樣中≤2分鐘檢出（圖4F）

 

核心結論

 

合成生物學突破：

首次實現29個輔因子協同的跨物種電子傳遞鏈（含24個血紅素）

電子傳遞速率受化學物質翻譯后調控，突破轉錄級延遲瓶頸

材料工程創新：

水凝膠封裝解決細胞-電極接觸問題

納米復合材料提升界面電子傳遞效率

環境應用價值：

響應速度達質量傳遞極限（擴散控制，理論值1-8分鐘）

適用于動態污染事件監測（如工業泄露、暴雨徑流）

 

與傳統技術的對比

參數 本文傳感器 傳統生物電化學傳感器

響應時間 ≤2分鐘 30分鐘-5小時

檢測限 0.1 mM（硫代硫酸鹽） 0.5-1 mM

環境魯棒性 城市河道直接檢測 需預處理水樣

信號傳輸機制 直接電子傳遞 間接光學/電化學信號

丹麥Unisense電極的參照意義

 

在參考文獻中，Unisense氧微電極（如OX-25型）代表傳統生物電化學傳感技術，其局限性在于：

 

間接檢測：依賴微生物代謝改變局部氧濃度，響應受擴散限制

多步驟信號轉換：O?濃度→電化學信號→污染物濃度

響應延遲：細胞轉錄/代謝級聯反應導致分鐘級延遲

 

本文通過合成電子傳遞鏈直連污染物與電流，規避了Unisense等設備的固有缺陷，實現：

 

信號路徑縮短：污染物→蛋白質構象變化→直接電流輸出

響應速度質變：從代謝調控（分鐘級）到電子傳遞（秒級）

環境適應性提升：無需維持恒定氧環境，適合復雜水體

 

應用前景

 

分布式監測網絡：微型化傳感器部署于供水系統/河流入?？?

自供能設計：耦合環境能量收集（如沉積物微生物燃料電池）

多污染物檢測：通過替換蛋白質開關拓展至重金屬/抗生素檢測

 

突破性價值：首次將合成生物學電子傳遞與材料工程結合，實現污染物檢測從"生物學響應"到"物理學響應"的范式轉變，為環境監測提供秒級解決方案。