行业动态

近年来，水体重金属污染问题日益严峻，传统检测方法如离子色谱或原子吸收光谱虽然精确，但需采样、运输和实验室操作，导致过程复杂、成本高且响应滞后。在这种背景下，利用工程微生物将检测信号转化为电信号的“整细胞生物电子传感器”成为研究热点，特别适用于现场实时监测。然而，目前大多数传感器仅能识别单一污染物，限制了实际应用的信息承载能力和多物质检测能力。

近日，针对这一局限，莱斯大学 Caroline Ajo-Franklin 教授团队在发表于 Nature Communications 的一篇题为“Multichannel bioelectronic sensing using engineered Escherichia coli”的研究中，创新性地提出了一种双通道生物电子传感器设计方案，即通过合成生物学手段在大肠杆菌中构建了两条具有不同氧化还原电位的电子传递通路，并开发了配套的信号处理算法，实现了单细胞水平对砷（As³⁺）和镉（Cd²⁺）的同时检测与区分。

图 | 该多通道生物电子传感器具有两条独立调控的EET通路

具体而言，研究团队首先在大肠杆菌中构建了两条独立的胞外电子传递（EET）通路：一是从枯草芽孢杆菌引入核黄素（flavin）合成路径，并将其表达置于镉响应启动子控制下，使其在 Cd²⁺ 存在时介导电子输出；二是从海栖希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）引入细胞色素 CymA- MtrCAB 系统，并由砷响应启动子调控，从而在 As³⁺ 存在时激活 CymA 表达并启动电子传递。由于两条通路的电位响应特征差异显著——黄素通路在更高电位区间启动，CymA 路径则响应于较低电位——这一设计为多通道识别奠定了基础。

在信号转换方面，团队则创新性地开发了“双电位阶跃计时电流法”(DPSC)。该方法通过顺序施加 0.2V、0V、-0.2V 和 -0.4V 四个特征电位，分别激活不同电子传递通路：在 0.2V 时两条通路均被激活，0V 时仅黄素通路工作，-0.2V 时 CymA 通路关闭，-0.4V 时两条通路均被抑制。

通过提取各电位下的稳态电流（jss），并计算特定比值参数（RCymA 和 RFL），研究者以 1.2 为阈值将其转化为二进制信号，实现了污染物的数字化判读。实验证实，该系统可清晰区分四种环境状态：00（无污染）、01（As³⁺）、10（Cd²⁺）、11（两者共存）。

在性能验证中，研究人员发现，传统的两电位方法（如 0.2V/-0.2V）在通道之间存在交叉干扰，无法稳定识别混合污染信号。而四电位 DPSC 法显著提升了分辨率和信噪比，成为理想选择。在实验室条件下，该传感器对砷和镉的检测限分别为 0.1μM 和 0.045μM，已优于美国 EPA 饮用水标准，显示出良好的实际应用价值。

图 | 该传感器在实验室条件下对砷和镉的浓度响应曲线，明确达到EPA标准的检测灵敏度

更关键的是，该系统在真实复杂环境中依然表现出良好稳定性，团队在布莱斯河（Brays Bayou）的水样中，这种生物电子传感器仍能稳定输出二维数字信号，并准确分辨 As³⁺、Cd²⁺ 及其共存情况，响应时间与在纯净水中近似，无显著降级。

此外，研究团队还建立了完整的数据处理流程，实现了检测结果的自动数字化转换。实验数据显示，在砷存在时，RCymA 从 2.81 显著升高至 5.66（p<0.01）；在镉存在时，RFL 从 2.12 升高至 7.40（p<0.01），这一显著差异为污染物识别提供了统计保障。同时，通过连续传代实验验证，传感器在多个检测周期中维持良好性能，说明其具备稳定的操作寿命与工程应用前景。

总的来说，该研究首次实现了在单个工程细胞中构建多通道电子输出路径，并结合电化学多电位刺激和算法编码技术，完成对复杂环境中多种重金属的数字化、并行检测。这种创新设计不仅为环境监测提供了新工具，其模块化、数字化的思路也为生物传感器的发展指明了方向，在在生态环境监测、饮用水安全检测、工业污染监控等领域都具有广阔的应用前景。

参考文献：

1.Zhang, X., Charrier, M. & Ajo-Franklin, C.M. Multichannel bioelectronic sensing using engineered Escherichia coli. Nat Commun 16, 6953 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62256-1

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