活體生物電傳感器用于環(huán)境污染實時監(jiān)測

有關(guān)傳感器的研究工作有很多，什么樣的才能獲得Nature的青睞？正在劍橋大學(xué)做博后研究的蘇林，可能有自己的見解和體會。

近日，他和讀博時所在團隊研發(fā)的活體生物電傳感器終于正式公開，相關(guān)論文已被Nature錄用。

（來源：Nature）

合成生物學(xué)與微生物學(xué)“結(jié)合”出一款傳感器

據(jù)介紹，針對環(huán)境污染物，活體生物電傳感器可以實現(xiàn)快速生物電傳感檢測。此前，生物傳感領(lǐng)域內(nèi)的響應(yīng)信號，需要二次轉(zhuǎn)換為電信號，以便進行程序分析和傳輸，這導(dǎo)致響應(yīng)時間通常比較長。針對這一限制，該成果進行了優(yōu)化和突破。

對于環(huán)境污染的監(jiān)測尤其是水資源的污染監(jiān)測，一直是人類面臨的全球性環(huán)境挑戰(zhàn)。污染物質(zhì)的釋放往往是動態(tài)和瞬時性的，因此需要對可能的污染物進行實時監(jiān)測。

傳統(tǒng)方式一般通過定時定點取樣，然后送回實驗室利用大型儀器進行測試，在時效性上存在明顯的劣勢。

目前，結(jié)合生物傳感技術(shù)與合成生物學(xué)，學(xué)界已經(jīng)開發(fā)出了可在現(xiàn)場部署的生物傳感器。但是，大部分傳感監(jiān)測輸出的信號都是視覺信號，比如顏色的變化和發(fā)光等。

盡管部分生物電傳感器可以利用改造后的電活性微生物，對特定物質(zhì)進行識別并直接輸出電信號。然而，這些傳感器都依賴基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，檢測過程中需要歷經(jīng)從DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA、再翻譯成蛋白質(zhì)的過程，故其響應(yīng)時間一般在30分鐘甚至更久。

另外，水體中富含著各類化學(xué)物質(zhì)，也時刻會發(fā)生環(huán)境條件的變化，比如溫度、pH、水速、含氧量等。這些往往會對傳感器信號造成干擾，致使信噪比降低、以及響應(yīng)時間被拖長。

而此次研究結(jié)合合成生物學(xué)、電化學(xué)、材料科學(xué)等，讓監(jiān)測目標(biāo)污染物的時間被縮至三分鐘，并能直接輸出電傳感信號。

（來源：Nature）

其主要包括以下三項突破：

第一，該團隊構(gòu)建了一條來自四種不同生物、橫跨兩個不同生物域的氧化還原酶所組成的人造電子傳遞通路，實現(xiàn)了對于目標(biāo)物質(zhì)的識別、信息傳遞、以及對于監(jiān)測過程的能量供應(yīng)。

第二，研究人員使用蛋白質(zhì)開關(guān)，來對電子傳遞過程進行控制，響應(yīng)時間短，非常適合對環(huán)境中的瞬時污染物排放進行持續(xù)監(jiān)測。

第三，課題組利用水凝膠材料和導(dǎo)電納米顆粒，對改造后的微生物進行封裝，在防止微生物逃逸到環(huán)境中的同時，還提升了傳感信號的信噪比。

可以說，這款活體生物電傳感器在很多領(lǐng)域都具備應(yīng)用前景，尤其是在環(huán)境監(jiān)測方面。而且，在傳感通路的設(shè)計上，課題組采用了模塊化構(gòu)思，因此理論上每個模塊都能根據(jù)具體需求進行修改和設(shè)計。

另外，在智慧農(nóng)業(yè)、助力工業(yè)廢物處理和水安全、甚至遠(yuǎn)洋深海資源探測上，這款傳感器都能發(fā)揮作用。

對于本次研究，一位評審專家表示：“在過去20年里，已有大量利用生物作為傳感器的先例（例如植物在爆炸物的存在下改變顏色等)，但它們存在通過生物感知產(chǎn)生視覺或電信號所需時間較長的限制。本文作者將合成生物學(xué)與微生物電化學(xué)進行結(jié)合，實現(xiàn)了待測物的傳感監(jiān)測。總的來說，該成果對分析化學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻影響，并將引起人們對于合成生物學(xué)與微生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣?！?/p>

還有審稿人表示：“該工作對以往的生物電傳感體系進行了大幅改進，并驗證了將基于全細(xì)胞的生物傳感器用于實時監(jiān)測的可能性。最重要的是避免了在基因轉(zhuǎn)錄過程中的延遲?！?/p>

近日，相關(guān)論文以《環(huán)境污染物的實時生物電子傳感》（Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants）為題發(fā)表在Nature上 。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）

美國萊斯大學(xué)生物科學(xué)系約書亞·阿特金森（Joshua T. Atkinson）博士、蘇林博士是共同一作，萊斯大學(xué)生物工程系喬納森·席爾伯格（Jonathan J. Silberg）教授、以及萊斯大學(xué)生物科學(xué)系卡羅琳·阿霍-富蘭克林（Caroline M. Ajo-Franklin）教授擔(dān)任共同通訊作者。

“We got a 4HT sensor”

據(jù)介紹，此次課題的最早構(gòu)思源自于2015年“合成生物學(xué):工程、進化與設(shè)計”（Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design）大會。

這分別涉及到兩位人物：Caroline教授課題組的摩西·巴魯克（Moshe Baruch）博士、以及Silberg教授課題組的喬什·阿特金森（Josh Atkinson）博士。

兩人的姓氏分別以B和A開頭，當(dāng)時兩位博士的演講海報排在最前面，并恰巧被安排在一起。

Caroline課題組的研究方向之一是微生物的電信號輸出，而Silberg課題組主要研究鐵氧化還原蛋白的功能和蛋白質(zhì)開關(guān)的構(gòu)建，這分別對應(yīng)了本次論文中的信號輸出模塊和信號輸入模塊。

于是，Moshe和Josh看到彼此的工作之后一拍即合，并表示：“We need to get together and talk about this！”

之后，兩支課題組建立聯(lián)系并決定合作，半年后他們獲得了第一筆研究經(jīng)費的資助。

蘇林則于2016年秋季加入Caroline課題組，一開始他接手的是另一個課題。

2017年夏季，蘇林的第一個項目基本完工之后，正好Moshe的博后職位快要結(jié)束。

“這時，我的導(dǎo)師Caroline和Moshe找我來參與電傳感的課題。與Silberg教授課題組的Josh等人合作。項目推進并沒有想象中順利，我跟Josh也因此不得不延期各自的博士答辯?！碧K林說。

由于他們設(shè)計的傳感通路實在是太過復(fù)雜，在三年間的大部分時間里，研究團隊都在不停地構(gòu)建工程菌、驗證、失敗、再重新構(gòu)建，如此往復(fù)。

期間最大的挑戰(zhàn)在于，有好幾次檢測了到傳感信號，但是興奮之后仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)是假陽性、或者對照組設(shè)計的不夠嚴(yán)謹(jǐn)，這時只好推翻再來。

（來源：Nature）

2020年下半年，實驗開始迎來起色。Josh把蛋白開關(guān)部分進行了升級改造，測試效果得到明顯改善。

“再后來，Xu Zhang博士的加入，幫忙解決了不少技術(shù)難點，也讓實驗進展更加順利。2020年11月底，我給兩位教授以及Josh發(fā)了封郵件，郵件的title是 ‘We got a 4HT sensor’，4HT就是我們目標(biāo)污染物（4-hydroxytamoxifen）的縮寫。一般來說，在郵件結(jié)尾使用‘Cheers’的機會并不多，由此足見當(dāng)時的激動。”蘇林說。

圖 | 蘇林當(dāng)時發(fā)的郵件（來源：蘇林）

項目的后續(xù)推進變得則越來越順，2021年2月他們完成了核心數(shù)據(jù)的最后一個實驗。之后大家開始分工撰寫手稿。

蘇林表示：“不停地失敗并堅持的過程就挺難忘的，還有Nature的發(fā)表周期太長了非常折磨人?！?/p>

不過有意思的是，隨著項目的推進也發(fā)生了一些地理意義上的人員變動。蘇林繼續(xù)說道：“2018年，Josh拿到美國能源部的獎學(xué)金，得以讓他從休斯頓飛到伯克利跟我們一起做了大半年的實驗；2019年，Caroline教授拿到萊斯大學(xué)的offer和德州的funding，于是我們實驗室從伯克利搬到休斯頓；2020年，Josh畢業(yè)之后去南加州大學(xué)做博后，中途暑假又飛回來繼續(xù)幫忙做實驗，還在我家的沙發(fā)上睡了一個多月?！?/p>

期間，蘇林跟Josh也成了很好的合作伙伴和朋友。他教蘇林合成生物學(xué)的實驗，蘇林教他電化學(xué)。同時，他倆還是上下樓的鄰居。那時，蘇林經(jīng)常端著中式料理下樓去找Josh喝酒，Josh則提供德州風(fēng)味的燒烤、甜品和兩只可愛的貓。

看得出來，即便已在國外生活數(shù)年之久，蘇林依然保留著地道的中國飲食習(xí)慣。而他也表示：“回國工作一直是我努力的目標(biāo)之一?！?/p>

出生于江西鷹潭的蘇林，其本科就讀于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)。他說：“大二暑假時跟朋友一起參加國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃（當(dāng)時好像是南農(nóng)的第一屆），研究是真菌孢子對雜草的治理，可以算是我最早的科研經(jīng)歷了?！?/p>

之后考研到東南大學(xué)生物物理專業(yè)讀碩，導(dǎo)師是付德剛教授。當(dāng)時研究的課題是納米材料對微生物胞外電子傳遞的促進作用。

“碩士畢業(yè)后繼續(xù)在付老師組里讀博，專業(yè)方向是生物醫(yī)學(xué)工程的納米生物器件。博士期間獲得了國家留學(xué)基金管理委員會的資助，交流去了當(dāng)時在美國伯克利國家實驗室的Caroline課題組學(xué)習(xí)合成生物學(xué)。博士論文的課題最終確定在利用合成生物學(xué)編輯微生物的電子傳遞，并將其應(yīng)用在微生物電傳感方面?！彼f。

博士畢業(yè)之后，蘇林來到英國劍橋大學(xué)化學(xué)系歐文·賴斯納（Erwin Reisner）教授課題組研究人工光合作用，主要研究如何通過構(gòu)建微生物-納米材料的生物復(fù)合體，來實現(xiàn)光能的轉(zhuǎn)換和二氧化碳的還原。

其表示：“我目前在劍橋大學(xué)擔(dān)任博士后研究員，并且很幸運地獲得了英國 Leverhulme Trust和劍橋三一學(xué)院Isaac Newton Trust提供的三年早期職業(yè)研究員獎學(xué)金（Early Career Fellowships）。在此之后，我打算申請教職，并建立自己的研究團隊。我預(yù)計在2024年左右開始關(guān)注招聘啟事并與國內(nèi)的用人單位聯(lián)系?！?/p>

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y

審核編輯 ：李倩