研究背景
淡水受到天然和合成化学物质的污染是一项全球性的环境挑战。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，因为它们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瞬态的，需要在原位实时检测这些化学物质。这种检测也必须具有不同非生物条件的环境准确性。实时化学传感对于环境和健康监测中的应用至关重要。生物传感器可以通过基因电路检测各种分子，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。
关键问题
虽然生物传感器可以满足污染物监测需求，但仍存在以下问题：
1、传感速度通常较慢，难以实现原位监测
生物传感器都依赖转录调节进行检测，而蛋白质表达过程将这种传感的速度限制半小时以上，光学信号通常很难原位检测到。
2、工程化微生物传感器会降低信噪比和时间响应
工程化的微生物虽然提供了机械完整性和支持连续传感，但它们会衰减信号传输，进而降低信噪比和时间响应。
新思路
有鉴于此，美国莱斯大学Caroline M. Ajo-Franklin等人将合成生物学和材料工程相结合，开发出能够产生电读数且检测时间为分钟的生物传感器。使用模块化的、八组分合成的电子传输链对大肠杆菌进行编程，使其产生电流以响应特定的化学物质。按照设计，该菌株在暴露于硫代硫酸盐后，在2分钟内产生电流。然后，对电流传感器进行了修改，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，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。该研究结果提供了一种设计规则，可以用质量输运模型有限的检测时间来感知各种化学品，并为保护生态和人类健康的微型低功耗生物电子传感器提供了一个新的平台。
技术方案：
1、设计了基于大肠杆菌的生物传感器
在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径，制备了生物传感器，并评估了各个模块的性能，优化了输出模块的功能，并分析了其性能。
2、证实了对硫代硫酸盐的快速检测和定量
作者构建了I+C+O+菌株，测量了硫代硫酸盐依赖性EET。通过改进，获得了更高的信噪比，信号强度及再现性，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。
3、设计了多样化的活体电子传感器
作者利用Fd开关以确定活体电子传感器是否可以多样化，证实了工程化Fd可测量合成ET途径中非代谢中间体的分析物，并将响应时间减少了约4倍。
4、证实了传感器在城市水道样品的适用性
作者证实了2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能，并通过改进实现了高度可再现的响应，提高了信噪比，获得了更高的稳态电流和更快的响应时间。
技术优势：
1、开发了超快的生物传感器
作者开发了利用ET合成信号转导方法，通过结合合成生物学和材料工程开发了生物传感器，可以产生电子读数，并将检测时间由半小时以上缩短至几分钟。
2、实现了城市水道内分泌干扰物的快速测量
将蛋白质开关纳入合成途径，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。快速的响应时间非常适合于环境中瞬时化学暴露的连续监测。
3、开发了提高信噪比的改进方法
利用细胞封装来实现比率传感，并加入导电纳米材料以提高EET的效率，这两种方法都提高了信噪比，并导致了质量传输有限的响应时间。
4、为连续、实时环境传感的设计提供了研究平台
本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。
技术细节
传感器设计
作者在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径。使用硫代硫酸盐来测试该策略，用三个模块设计了硫代硫酸盐依赖的ET途径。为了评估各个模块的性能，使用了基因组编码和质粒编码的遗传电路的组合，使模块组件能够即插即用表达。为了优化输出模块的功能，作者分析了其表达、EET以及在不同诱导条件下对细胞适应度的影响。为了测量细胞色素的表达，监测了细胞颗粒的相对红色。为了以高通量的方式评估EET，测量了诱导细胞还原细胞不可渗透的WO3纳米棒的能力。使用最佳诱导策略，表明优化的输出模块是功能性的。作者确定了耦合模块的SQR，并证明了细胞可以在表达输出模块的同时在输入模块中合成全蛋白。
图 带有合成ET链的大肠杆菌传感器
硫代硫酸盐的快速检测和定量
为了确定ET通过全合成途径是否依赖于硫代硫酸盐，将所有三个模块集成在一起以构建I+C+O+菌株，并在BES中测量浮游细胞的硫代硫酸盐依赖性EET。结果表明整个通路就像一个硫代硫酸盐传感器。为了改善低信噪比，将每个菌株和工作电极封装在藻酸盐-琼脂糖水凝胶中。与浮游细胞相比，封装细胞对硫代硫酸盐的反应具有更高的信噪比（平均增加30倍以上）。此外，相对于浮游细胞，它表现出更高的信号强度（增加>5倍）、更高的再现性（标准偏差减少>50%）和更高的线性（R2增加>10倍）。探讨了该传感器对不同硫代硫酸盐浓度的响应，表明I+C+O+菌株的电流响应与硫代硫酸盐浓度呈线性关系，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。
图 活体电子传感器的封装实现了硫代硫酸盐的快速检测和定量
传感器多样化
为了确定活体电子传感器是否可以多样化，以响应影响脊椎动物繁殖的化学物质，利用Fd开关在翻译后对化学配体进行响应。为了量化每个反应器中4-HT诱导的电流变化，计算了IsC+O+应变相对于IC42AC+O+菌株的电流百分比差异。DMSO和4-HT信号的比较显示，在7.8分钟内以95%的置信度检测到4-HT，信号强度增加0.93%±0.33%。尽管工程Fd产生的信号低于野生型Fd，但它能够检测合成ET途径中非代谢中间体的分析物。因此，与以前的微生物生物电子传感器相比，IsC+O+活电子传感器按设计对4-HT作出响应，并将响应时间减少了约4倍。
图 表达电子蛋白质开关的活体电子传感器能够快速检测内分泌干扰物
城市水道样品测量
在添加了硫代硫酸盐或4-HT的河流和海洋样品中测试了BES，证实2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能。由于这些城市水样的导电性差且氧化还原活性化合物丰富可能会干扰生物电子传感，引入了生物相容性和导电性TiO2@TiN纳米复合材料进入包封基质以增加接触表面并促进细菌-电极界面处的电子转移。这些纳米颗粒-活性传感器混合物在装置之间显示出高度可再现的响应，提高了信噪比，并且在1mM硫代硫酸盐存在下具有更高的稳态电流，并具有更快的响应时间。本工作开发的活体电子传感器可用来专门检测与环境相关的浓度和条件下的分析物，其传质限制动力学比之前的状态快十倍。
图 用导电纳米颗粒封装的活体电子传感器能够快速检测环境中的污染物
展望
总之，本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台。实时传感需要快速的分析物检测，在没有样品准备的情况下，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。活体电子传感器可在各种环境条件下使用有限的仪器实时检测目标化学品。为了实现长期的环境部署，可以将碳源和辅助化学品纳入封装矩阵，以优化非生物-生物界面的电信号传输。此外，这些传感器可以被安装到通过清除环境中存在的能量来自我供电的设备中。小型、可部署的实时生物电子传感器可以分布在不同的环境位置，这将彻底改变监测化学品在生态系统中迁移的能力。这将为农业的可持续发展提供重要信息，减轻工业废物排放的影响，并确保水安全。
参考文献：
Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature(2022).
DOI：10.1038/s41586-022-05356-y
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y