生物技术通报 | 变构转录因子生物传感器构建策略及在食品安全中的应用进展

文摘   科学   2024-12-11 17:11   北京  

变构转录因子生物传感器构建策略及在食品安全中的应用进展

周子莹,宋晓东,刘洋儿,吴一凡,朱龙佼,古东月,何国庆,李相阳,许文涛

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0392

食品安全是世界范围内普遍关注的问题。食品污染物的快速灵敏检测技术在食品安全中发挥着至关重要的作用。在众多食品安全快速检测的分析工具中,生物传感器的发展尤为引人注目。生物传感器通常由分子识别元件、信号报告元件以及信号分析系统组成。其工作原理是通过分子识别元件特异性识别并结合目标分析物,随后通过信号报告元件将生物识别转化为可测量的信号,最后经信号分析系统输出并计算出分析物的含量。近几年,关于生物传感器的研究不断深入,发现其分子识别元件的类型不仅仅局限于传统的核酸、酶、抗体、抗原、细胞等。特别是变构转录因子(aTF)作为一种新型分子识别元件,为生物传感器的发展提供了新的研究方向。
aTF是细菌在进化过程中为了响应外界环境的各种刺激而产生的一种调控蛋白。通常,aTF包含一个配体结合域(LBD)和一个DNA结合域(DBD)。特定小分子与LBD的结合会引起aTF发生构象变化,减弱或增强DBD对转录因子结合位点(TFBS)的亲和力,从而改变下游基因的表达。不同aTF家族的LBD具有较大的可变性和多样性,这一特性赋予aTF识别广泛和潜在效应分子的能力。在原核生物中,aTF的类型丰富多样,比如能够感知重金属离子的MerR、PbrR、ArsR 等;对农兽药残留作出响应的TetR、MphR、OtrR、AtzR等;针对食品添加剂的HosA、LldR、BenR 等;以及识别食源性病原体的LasR等。这些aTF家族的存在,为构建识别食品安全风险因子的aTF生物传感器提供基础。
基于aTF的生物传感器在食品安全检测中展现出巨大的应用潜力。aTF通过与TFBS的相互作用,不仅可以在复杂的细胞环境中构建全细胞生物传感器,还可以在体外溶液体系中发挥识别作用。因此,以aTF为识别元件的体外生物传感器正受到广泛关注,正成为体外合成生物学研究的一项新兴工具。
近日,《生物技术通报》在线发表了题为变构转录因子生物传感器构建策略及在食品安全中的应用进展的文章本文旨在对aTF体外生物传感器的构建策略及在食品安全中的应用进展进行全面综述。首先,详细阐述了aTF体外生物传感器的核心组成部分,包括分子识别系统、信号放大策略、信号输出体系以及传感体系。其次,总结了aTF体外生物传感器在重金属离子、农兽药残留、食品添加剂和食源性病原体等食品安全中的应用。最后,讨论了aTF体外生物传感器在食品安全检测中所面临的挑战,旨在为未来基于aTF体外生物传感器的研究发展提供参考。
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本文主要包括以下几部分内容:    

1 aTF生物传感器的构建策略

1.1 分子识别系统
1.2 信号放大策略
1.3 信号输出体系
1.4 传感体系

2 aTF生物传感器在食品安全中的应用

2.1 aTF生物传感器检测食品中的重金属离子

2.2 aTF生物传感器检测食品中的农兽药残留

2.3 aTF生物传感器检测食品中的添加剂

2.4 aTF生物传感器检测食品中的病原体

3 总结与展望





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aTF生物传感器以其低廉的构建成本和快速的检测速度在食品安全检测领域展现出显著优势。文介绍了aTF生物传感器的构建策略,总结了aTF生物传感器在食品安全中的应用进展,包括重金属离子、农兽药残留、食品添加剂和食源性病原体等,并展望了其在食品安全检测领域中的发展趋势


随着检测需求的不断提升,基于aTF的体外生物传感器面临着新的挑战:(1)智能化未普及:由于智能手机的小型化和便携性以及智能手机的普及,使得智能手机成为现场传感系统的理想工具。在未来,基于智能手机的aTF体外生物传感器需要进一步融合大数据、云计算、人工智能等先进技术,以满足食品安全检测的需求。(2)现场应用受限:目前aTF的体外检测平台仍然处于实验室阶段,还未实现现场检测和实际应用。当前,利用冷冻干燥技术构建的纸基生物传感器,其活性可保存很长时间,使用时通过加水即可活化,具有操作简单、成本低的优势。此外,开发便携式的试纸条,可缩短检测时间,实现快速的现场分析。(3)稳定性难以维持:尽管基于aTF的体外生物传感器在检测灵敏度和特异性方面优势显著,但其还需要在长时间内保持准确可靠的性能。为了克服稳定性的挑战,需要进一步的研发和技术创新,可通过材料工程、生物化学和微纳米技术等提高生物传感器的稳定性和可靠性。(4)报告元件缺乏多样化:尽管电化学分析在其他类型生物传感器中发挥了巨大的优势,如具有宽线性范围、高灵敏度等,但在基于aTF体外生物传感器检测食品中的小分子物质时,电化学作为信号报告元件的研究还相对较少,考虑到食品样品基质的复杂性,电化学分析方法在食品检测领域具有巨大的潜力和应用价值。电化学报告元件的引入,不仅能够拓宽食品检测领域的研究范围,而且能够为食品安全检测提供更为多样化和灵活的解决方案。因此,加强电化学报告元件在aTF生物传感器中的研究与应用,对于提升食品安全检测技术的整体性能具有重要意义。













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