天大团队发表关于工程设计全细胞微生物生物传感器用于重金属、有机污染物检测与处理的前瞻性综述

 收藏

关键词：细胞生物关于生物传感器污染微生物

资讯来源：DeepTech深科技

发布时间： 2022-08-07

近日，天津大学化工学院宋浩教授/李锋团队在《Biotechnology Advances》期刊在线发表了题为 Engineering whole-cell microbial biosensors: design principles and applications in monitoring and treatment of heavy metals and organic pollutants 的综述论文。论文第一作者为化工学院刘长江硕士、蔚欢博士、及张保财博士，通讯作者为李锋和宋浩教授。其中，宋浩为天津大学化工学院教授，博士生导师。研究领域为能量代谢与光电遗传，生物制药与营养品生产。李锋为天津大学化工学院助理教授，硕士生导师，研究领域为光电遗传学在细胞物质、能量代谢中的应用。

在环境污染日益严重的今天，实现快速检测和精准处理至关重要。生物传感器作为一种经济高效、快速、原位、实时的分析工具已被广泛应用于环境监测和治理。合成生物学的发展使得基因工程的全细胞微生物生物传感器的出现成为可能。

这篇综述阐述了基于转录因子的各种全细胞生物传感器（WCB）的设计和优化原则，包括来自细菌天然重金属解毒系统、烷烃和芳香化合物代谢途径的转录激活剂或抑制剂，用于在真实条件下监测重金属和有机污染物。并总结了 WCB 的作用步骤（ 图 1 ）：“感应-转导-输出”，即首先通过转录因子智能感知重金属（Hg²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Au³⁺、Cd²⁺、As³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺ 和 UO₂²⁺）或有机化合物（醇、烷烃、酚和苯），随后通过基因线路设计放大器、正反馈环、负反馈环、以及逻辑门实现信号转导，最终通过不同报告元件实现多种输出，如细胞荧光和生物电流用于检测，细菌纤维蛋白或重金属表面结合肽用于吸收重金属。

▲图1丨全细胞生物传感器的作用过程原理（来源：研究论文）

文章首先 对现有全细胞生物传感器进行了分类 ，基于转录因子的作用原理分为激活剂和抑制剂两大类，它们都靶向作用于目的基因启动子的 DNA 序列，并通过与配体（重金属离子或有机污染物）结合，发生构象改变，从而实现转录的激活或抑制（ 图 2 ）。进一步根据变构效应实现方式的不同，将激活剂划分为一元调控系统和二元调控系统，不同于一元调控系统，二元调控系统通过感应激酶实现配体结合，进而通过翻译后修饰的方式使响应接收蛋白（转录因子）发生构象变化，二元调控系统的复杂线路增强了它们在实际应用中可塑性。此外，转录因子还可以被直接修饰改造为基于荧光共振能量转移（FRET）传感器，用于快速原位检测和成像。

▲图2丨基于转录激活因子全细胞生物传感器的应用实例（来源：研究论文）

文章进一步回顾了 为优化基于转录因子的生物传感器配体浓度与输出信号之间的关联性而实施的策略 ，具体优化参数包括特异性、灵敏度、响应范围、检测范围，以满足实际应用的要求。优化策略包括通过蛋白质工程（理性设计和定向进化）改变传感器的特异性以及检测范围（ 图 3 ）、通过启动子工程提高传感器的敏感度和响应范围、以及通过逻辑门和反馈回路来提高传感器的输出强度。

▲图3丨基于蛋白质工程改造全细胞生物传感器的特异性和检测范围（来源：研究论文）

最后，作者展望了 生物传感器的未来发展方向 ，包括通过高通量筛选和机器学习实现“设计-构建-测试-优化”的循环策略，挖掘新型传感和响应元件；通过设计防逃逸的自杀基因线路解决 WCB 实际应用中的生物安全问题；以及开发新型生物传感器，包括无细胞传感器和电化学生物传感器的设计原理。该研究获得合成生物学重点研发专项 (2018YFA0901300)，国家自然科学基金(32071411、32001034、21621004)资助。

欢迎 合成生物学 领域科研从业者 扫码加群，加好友请备注 “单位+领域+职位” （不加备注不予通过）↓↓↓