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基于基因工程细菌生物膜材料的便携式全细胞传感系统研究

1. 研究团队与发表信息

本研究由İlkay Çişil Köksaldı、Ece Avcı、Sıla Köse、Gökçe Özkul、Ebru Şahin Kehribar和通讯作者Urartu Özgür Şafak Şeker合作完成，研究团队来自土耳其比尔肯特大学的UNAM-National Nanotechnology Research Center和Institute of Materials Science and Nanotechnology。研究成果发表于期刊Biosensors and Bioelectronics，2024年8月10日在线发表，卷号为264，文章编号116644。

2. 学术背景

研究领域：合成生物学、环境监测与生物传感器技术。
研究动机：全细胞生物传感器（Whole-Cell Biosensors, WCBs）在环境污染物检测中具有高灵敏度、实时监测和低成本的优势，但其实际应用面临细胞在固体表面稳定固定（surface-immobilization）的难题。传统方法依赖液态培养或复杂载体，难以满足便携式检测需求。
科学问题：如何通过工程化生物膜（biofilm）增强细菌在纸质基底的附着能力，并保持冻干后的生物传感器活性？
研究目标：开发一种基于大肠杆菌（*Escherichia coli*）生物膜途径的纸基全细胞传感器，以铜离子（Cu²⁺）检测为概念验证，实现便携、长期存储和裸眼可视化的环境监测。

3. 研究流程与方法

（1）生物膜工程化设计

• 研究对象：敲除天然*csgA*基因的*E. coli*（Δ*csgA*菌株），通过质粒引入工程化生物膜通路。
  
• 关键改造：
  
  • 将纤维素结合肽（Cellulose-Binding Domain, *CBDcex*）与生物膜蛋白CsgA融合，增强细菌与纸基的结合能力（图1b）。
    
  • 引入多顺反子表达系统（*csgGEF*），促进CsgA通过外膜分泌（图1b-iv）。
    
• 验证方法：
  
  • 刚果红染色：定量生物膜形成（图1c）；
    
  • 环境扫描电镜（ESEM）：观察细菌在滤纸上的附着形态（图2）。
    

（2）铜离子传感器构建

• 原理：利用*E. coli*天然的铜稳态调控通路——*CueR*转录因子激活*pcopA*启动子，驱动荧光蛋白（sfGFP或mScarlet-I）表达（图3a）。
  
• 优化策略：替换核糖体结合位点（RBS）为强效版本（RBS30），提升信号强度（图3c）。
  

3）环境适应性测试

• 条件：温度（25°C–42°C）、盐度（10–100 mM NaCl）、pH（5–9）（图3d-f）。
  
• 冻干与存储：将负载传感器的纸片冻干后，在-20°C或4°C下存储6个月，测试铜检测性能（图4-5）。
  

4）数据分析

• 图像处理：通过MATLAB代码分析手机拍摄的荧光信号（图4b-c），量化RGB通道强度变化。
  
• 统计方法：GraphPad Prism进行单/双因素方差分析（ANOVA），动态范围拟合采用四参数Hill方程。
  

4. 主要结果

1. 生物膜增强附着：

   • 融合*CBDcex*的CsgA显著提升细菌在滤纸上的附着密度（ESEM显示多层纤维素纤维包裹细菌，图2d）。
     
   • 共表达*csgGEF*进一步优化分泌效率（图1c-iv）。
     

2. 铜传感器性能：

   • 灵敏度：冻干纸片的检测限（LOD）为5 μM铜离子，低于WHO饮用水标准（10 μM）（图5）。
     
   • 特异性：对铅、镉、砷无交叉反应（图3b）。
     
   • 环境鲁棒性：在pH 7–9、盐度50 mM NaCl、37°C时信号最强（图3d-f）。
     

3. 长期稳定性：冻干存储6个月后，传感器仍可通过裸眼观察荧光信号（图4b-c）。

5. 结论与价值

科学意义：
- 提出“生物膜-纤维素结合域”模块化设计范式，为全细胞传感器的表面固定提供通用策略。
- 首次实现冻干纸基传感器的长期存储与裸眼检测，突破传统液态传感器的应用限制。

应用价值：
- 适用于野外环境监测（如工业废水、矿区径流中的铜污染），成本低且无需专业设备。
- 平台可扩展至其他污染物检测（如铅、砷），仅需替换传感器启动子元件。

6. 研究亮点

1. 创新方法：

   • 将生物膜工程与纤维素结合肽结合，解决细胞固定难题。
     
   • 开发手机图像分析流程，替代复杂荧光检测设备。
     

2. 跨学科融合：合成生物学（基因电路设计）、材料科学（纸基载体）、环境工程（污染物监测）的协同创新。

3. 实际验证：通过冻干和极端环境测试，验证了传感器的商业化潜力。

7. 其他价值

• 开放性数据：作者声明数据可依请求公开，促进方法复现。
  
• 技术可扩展性：研究暗示可通过替换结合肽域（如针对玻璃、金属）适配不同基底，拓展应用场景。
  

此研究为便携式生物传感器的开发提供了重要范式，其工程化思路与环保设计理念具有广泛的工业与科研影响力。