论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134536![]()
近日，上海交通大学肖毅团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Development of transcriptional factor-based whole-cell biosensors to monitor and degrade antibiotics using mutant cells obtained via adaptive laboratory evolution”的研究论文。本研究开发了基于自适应实验室进化（adaptive laboratory evolution, ALE）突变体的全细胞生物传感器，该生物传感器在高浓度抗生素存在时表现良好，可高效检测和降解四环素和乳链菌肽。研究成果证实了ALE突变体方法具有广泛的全细胞生物传感器开发潜力，可用于检测多种有毒化合物。
抗生素滥用引发的环境问题日益严峻，因而检测和降解样品中的抗生素残留已成为一个热门问题。基于转录因子（TF）的全细胞生物传感器是检测化学物质和控制生物过程的低成本、易用且灵活的工具。然而，由于抗生素引起的细胞毒性，这类传感器的应用受到了限制。本研究通过使用抗生素耐受性突变体开发了基于TF的全细胞生物传感器，用于抗生素监测和降解。结果显示，这些生物传感器在相对高浓度的四环素和乳链菌肽存在下表现出稳定性。相较于基于野生型宿主菌株的生物传感器，基于ALE突变体的四环素生物传感器的线性检测范围提升了10倍，被应用于小鼠粪便、血清和尿液样本中的残留四环素检测，并促进了小鼠粪便中的四环素生物降解。研究表明，ALE可以增强细胞对多种有毒化学物质的耐受性，这一策略可能有助于开发适用于大多数抗生素和其他有毒配体的全细胞生物传感器。
抗生素广泛用于人类和动物的疾病治疗。然而，抗生素滥用已导致严重的环境和健康问题。四环素（Tc）是一种广泛应用的抗生素，以及作为动物生长促进剂。然而，四环素常被释放到环境中，导致地下水和地表水的污染。乳链菌肽是一种由34个氨基酸残基组成的细菌素，是一种被多个国家批准的食品防腐剂抗菌肽。因此，监测环境和食品样品中的抗生素非常重要，开发相关检测新方法至关重要。
通过自适应实验室进化方法获得了对抗生素具有高耐受性的突变菌株（如图1所示），用于开发基于TF的全细胞生物传感器。两种生物传感器能够分别响应环境中的四环素及乳链菌肽。
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Fig. 1. 利用适应性实验室进化获得的突变细胞构建全细胞生物传感器。Ptet,，四环素（Tc）诱导启动子，Pnis，nisin诱导启动子，gfp，绿色荧光蛋白基因; rfp, 红色荧光蛋白基因。![]()
Fig. 2. WT细胞中全细胞生物传感器对不同浓度Tc或nisin的反应。（a）E. coli MG1655作为宿主的Tc全细胞生物传感器的设计。Tc，四环素；TetR，Tc生物传感器转录因子；GFP，绿色荧光蛋白；Ptet, Tc响应启动子。（b）Tc生物传感器对不同浓度Tc的荧光响应。（c）Tc生物传感器细胞的生长速率。（d）L. Lactis NZ9000作为宿主的Nisin全细胞生物传感器的设计。NisRK是由NisK和NisR组成的双组分传感器系统，NisK检测Nisin, NisR通过NisK的转导激活基因表达。（e）乳链菌肽生物传感器对不同浓乳链菌肽的荧光反应。（f）Nisin生物传感器细胞的生长速率。本研究分别对所构建的四环素生物传感器和乳链菌肽生物传感器的性能进行了测试。基于ALE突变体的四环素生物传感器展示了10倍于野生型菌株传感器的线性检测范围，而乳链菌肽生物传感器在高浓度乳链菌肽存在下表现出良好的检测性能（如图2,3所示）。
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Fig. 3. WT菌株和ALE突变体作为宿主的生物传感器性能比较。（a）Tc ALE突变体(Tc- M1 /M2/M3)在不同浓度Tc下的生长速率。（b）Nisin ALE突变体（Nis-M1/M2/M3）在不同浓度Nisin下的生长速率。（c）WT菌株和ALE突变体作为宿主的Tc生物传感器对不同浓度Tc的荧光响应。（d）WT菌株和ALE突变体作为宿主的Nisin生物传感器对不同浓度Nisin的荧光响应。本研究还利用优化后的Tc生物传感器对实际样品进行了检测。研究结果表明，传感器成功应用于小鼠粪便、血清和尿液样本中的残留抗生素检测，并促进了小鼠粪便中的四环素生物降解（如图4所示）。
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Fig. 4. 在ALE突变体中应用Tc生物传感器测量小鼠样本（粪便、血清和尿液）中的Tc浓度。（a）使用生物传感器监测小鼠样品中Tc含量的示意图。（b）以野生型E. coli MG1655作为宿主的生物传感器（Tc-WT）及以E. coli MG1655的ALE突变体作为宿主的生物传感器（Tc-M1）对Tc浓度进行检测。Fx定义为荧光响应。使用Tc-WT生物传感器时，Fx对应两个Tc浓度值x1和x2。当使用Tc-M1生物传感器时，Fx对应单个Tc浓度值x3。（c）生物传感器法与HPLC法检测Tc的结果比较。（d）使用Tc-M1生物传感器测量小鼠粪便样品中的Tc。（e）使用Tc-M1生物传感器测量小鼠血清样品中的Tc。（f）使用Tc-M1生物传感器测量小鼠尿液样品中的Tc。本研究通过自适应实验室进化获得了突变菌株，成功开发了基于转录因子的全细胞生物传感器，用于高效检测和降解抗生素残留。这些传感器在抗生素存在下表现出高性能和稳定性，展示了在环境、医学和食品样本检测中的广泛应用前景。ALE方法的成功应用，表明其在全细胞生物传感器开发中的巨大潜力，有望用于检测和降解多种抗生素和有毒化合物。
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通讯作者：肖毅，博士，上海交通大学特别研究员，课题组长，博士生导师。目前研究方向是以生物合成和生物治疗为目的的先进生物技术开发,包括CRISPR基因编辑调控技术和生物分子传感器技术，用于改造细胞和控制细胞的代谢和行为。相关成果发表在Journal of Hazardous Materials、Green Chemistry和ACS Synthetic Biology等杂志上，并申请了一系列专利。主持了中组部国家海外优秀人才青年项目，上海市科委重点项目，国家基金委基金面上项目，科技部重点研发项目子课题等科研项目。第一作者：李佳玮，上海交通大学生命科学技术学院，在读博士研究生，研究方向为生物传感器构建优化，新型无细胞催化系统开发。第一作者：秦紫晴，上海交通大学生命科学技术学院，硕士研究生，研究方向为全细胞生物传感器的构建与应用。
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JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters), 和Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)。三本期刊拥有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测，和去除。旗舰期刊JHM发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开完获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。
