近日，大连工业大学食品学院、海洋食品加工与安全控制全国重点实验室、国家海洋食品工程技术研究中心朱蓓薇院士团队陈翊平教授在TOP学术期刊Chemical Engineering Journal (IF=13.3)发表题为“Magnetic Fe3O4@MOF@aptamer-mediated entropy-driven fluorescence biosensor for multiplexed and DNA extraction- and amplification-free detection of pathogenic bacteria”的研究论文，陈翊平教授为通讯作者。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155978.
研究亮点
1. 创制了一种磁性Zr -MOF作为适配体分离和富集病原体的载体。
2. 开发了基于Argonaute蛋白和熵驱动信号放大的荧光传感方法。
3. 基于该方法可实现常温下两种致病菌免DNA提取免扩增的同时检测。
研究背景
致病菌一直是造成食品安全和人类健康重大威胁的关键问题，每年引发大量经济损失和人员死亡。当前临床细菌检测常用方法普遍存在耗时长、步骤复杂、成本高等弊端，且在致病菌多重检测方面面临严峻挑战。近年来，可编程核酸内切酶的出现为分子诊断方法带来革新，其中类 CRISPR-Cas 的 Argonautes（Agos）蛋白虽可特异性切割目标核酸，但嗜高温的 Agos 需高温条件且依赖核酸扩增，应用受到极大限制。在此背景下，本课题组成功表达并纯化了嗜中温的 CbAgo 蛋白。然而，基于 CbAgo 的传感器在实际应用中仍需核酸扩增，而核酸扩增过程易受污染。相比之下，无酶扩增具有高稳定性和低成本等优势，其中熵驱动电路（EDC）作为无酶扩增的代表，可成为有效的无酶等温信号放大工具。同时，高效的反应载体对于目标分子的识别和富集至关重要。金属有机框架（MOF）常作为生物传感中生物分子的载体，创新制备的磁性 Zr 基 MOF 可作为适配体分离和富集致病菌的载体，具有装载适配体效率高、分离速度快等特点。
成果介绍
本工作提出了一种基于磁性MOF结合CbAgo和熵驱动的荧光生物传感器，用于免DNA提取和扩增的多重致病菌同时检测。利用磁性Zr-MOF的多功能性结合适配体作为识别元件解析了核酸信号转换机制，利用水热反应合成磁性Zr-MOF(Fe3O4/SiO2/UiO-66)进而制备Fe3O4/SiO2/UiO-66-Apt，通过SEM、TEM、XPS和FTIR等手段表征两种复合物的合成。根据适配体对致病菌的亲和力高于互补DNA(cDNA)的特性构建了致病菌浓度与cDNA的定量关系。cDNA作为熵驱动信号放大反应的引发链，在熵驱动循环反应下实现低浓度的cDNA输入转换为高浓度的gDNA输出。CbAgo可同时装载熵驱动反应产生的两种致病菌的gDNA，在两条gDNA引导下发挥核酸内切酶的作用，特异性切割修饰了不同荧光基团和猝灭基团的探针，利用多功能酶标仪实现两种致病菌的同时检测。该方法检E. coli和S. aureus的检测限分别为79 CFU/mL和68 CFU/mL，线性范围均可达102 CFU/mL-106 CFU/mL。最后，将该方法用于实际样品鸡肉和猪肉中E. coli和S. aureus的定量检测，与“金标准”方法-微生物培养法相比，两种方法的检测结果具有良好的一致性。此外进一步验证了该生物传感器对临床样品的适用性，与临床诊断结果相比，该生物传感器检测临床样品中E. coli和S. aureus的准确率分别为88%和87%。相比之下，金标准平板计数法无法同时识别多种致病菌，并且检测周期长。该生物传感器具有检测时间短、灵敏度高、准确性高等特点，而不需要复杂的DNA提取和核酸扩增，具有同时检测多种临床致病菌的潜力。
图文赏析
图1 基于磁性MOF结合CbAgo和熵驱动的荧光生物传感示意图
图2 复合材料的表征
图3 生物传感器可行性验证
图4 生物传感器检测两种致病菌的实验结果
图5 生物传感器用于食品样品和临床样品检测
作者介绍
陈翊平
申请人陈翊平博士，大连工业大学教授，博士生导师，国家级人才支持计划青年项目获得者，当选中国食品科学技术学会第四届青委会委员。近5年以唯一通讯作者在Nature Food, ACS Nano, Advanced Science, Advanced Functional Materials, Food Chemistry等刊物发表中科院1区研究型SCI论文62篇（其中IF>15的论文7篇，自然指数期刊论文21篇, Hindex=40）。主持3项国家自然科学基金和1项国家重点研发课题，以第一发明人授权26项发明专利，其中7项发明专利实现了550万元的成果转化，研发的酶试剂已实现商业化。以第一完成人获得了湖北省科学技术发明二等奖和大北农科技创新奖，研究成果作为科创案例成功入选中国专业研究生案例库（编号：ZT-221050409）。担任SCI期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology副主编（中科院二区）。
【End】
图文/陈翊平
排版/刘双
责编/赵几融
审核/温成荣
