活體生物電傳感器用于環(huán)境污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

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(jiàn)解和體會(huì)。

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

（來(lái)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(duì)環(huán)境污染物，活體生物電傳感器可以實(shí)現(xiàn)快速生物電傳感檢測(cè)。此前，生物傳感領(lǐng)域內(nèi)的響應(yīng)信號(hào)，需要二次轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便進(jìn)行程序分析和傳輸，這導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間通常比較長(zhǎng)。針對(duì)這一限制，該成果進(jìn)行了優(yōu)化和突破。

對(duì)于環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)尤其是水資源的污染監(jiān)測(cè)，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(dòng)態(tài)和瞬時(shí)性的，因此需要對(duì)可能的污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)方式一般通過(guò)定時(shí)定點(diǎn)取樣，然后送回實(shí)驗(yàn)室利用大型儀器進(jìn)行測(cè)試，在時(shí)效性上存在明顯的劣勢(shì)。

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(kāi)發(fā)出了可在現(xiàn)場(chǎng)部署的生物傳感器。但是，大部分傳感監(jiān)測(cè)輸出的信號(hào)都是視覺(jué)信號(hào)，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(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別并直接輸出電信號(hào)。然而，這些傳感器都依賴基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，檢測(cè)過(guò)程中需要?dú)v經(jīng)從DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA、再翻譯成蛋白質(zhì)的過(guò)程，故其響應(yīng)時(shí)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(shí)刻會(huì)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(huì)對(duì)傳感器信號(hào)造成干擾，致使信噪比降低、以及響應(yīng)時(shí)間被拖長(zhǎng)。

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(cè)目標(biāo)污染物的時(shí)間被縮至三分鐘，并能直接輸出電傳感信號(hào)。

（來(lái)源：Nature）

其主要包括以下三項(xiàng)突破：

第一，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一條來(lái)自四種不同生物、橫跨兩個(gè)不同生物域的氧化還原酶所組成的人造電子傳遞通路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于目標(biāo)物質(zhì)的識(shí)別、信息傳遞、以及對(duì)于監(jiān)測(cè)過(guò)程的能量供應(yīng)。

第二，研究人員使用蛋白質(zhì)開(kāi)關(guān)，來(lái)對(duì)電子傳遞過(guò)程進(jìn)行控制，響應(yīng)時(shí)間短，非常適合對(duì)環(huán)境中的瞬時(shí)污染物排放進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

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

可以說(shuō)，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(cè)方面。而且，在傳感通路的設(shè)計(jì)上，課題組采用了模塊化構(gòu)思，因此理論上每個(gè)模塊都能根據(jù)具體需求進(jìn)行修改和設(shè)計(jì)。

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(cè)上，這款傳感器都能發(fā)揮作用。

對(duì)于本次研究，一位評(píng)審專家表示：“在過(guò)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(guò)生物感知產(chǎn)生視覺(jué)或電信號(hào)所需時(shí)間較長(zhǎng)的限制。本文作者將合成生物學(xué)與微生物電化學(xué)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)物的傳感監(jiān)測(cè)?？偟膩?lái)說(shuō)，該成果對(duì)分析化學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻影響，并將引起人們對(duì)于合成生物學(xué)與微生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。”

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

近日，相關(guān)論文以《環(huán)境污染物的實(shí)時(shí)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(lái)源：Nature）

美國(guó)萊斯大學(xué)生物科學(xué)系約書(shū)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(jìn)化與設(shè)計(jì)”（Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design）大會(huì)。

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(kāi)頭，當(dāng)時(shí)兩位博士的演講海報(bào)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(hào)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(kāi)關(guān)的構(gòu)建，這分別對(duì)應(yīng)了本次論文中的信號(hào)輸出模塊和信號(hào)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(fèi)的資助。

蘇林則于2016年秋季加入Caroline課題組，一開(kāi)始他接手的是另一個(gè)課題。

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

“這時(shí)，我的導(dǎo)師Caroline和Moshe找我來(lái)參與電傳感的課題。與Silberg教授課題組的Josh等人合作。項(xiàng)目推進(jìn)并沒(méi)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(shuō)。

由于他們?cè)O(shè)計(jì)的傳感通路實(shí)在是太過(guò)復(fù)雜，在三年間的大部分時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)都在不停地構(gòu)建工程菌、驗(yàn)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(cè)了到傳感信號(hào)，但是興奮之后仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)是假陽(yáng)性、或者對(duì)照組設(shè)計(jì)的不夠嚴(yán)謹(jǐn)，這時(shí)只好推翻再來(lái)。

（來(lái)源：Nature）

2020年下半年，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始迎來(lái)起色。Josh把蛋白開(kāi)關(guān)部分進(jìn)行了升級(jí)改造，測(cè)試效果得到明顯改善。

“再后來(lái)，Xu Zhang博士的加入，幫忙解決了不少技術(shù)難點(diǎn)，也讓實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(xiě)。一般來(lái)說(shuō)，在郵件結(jié)尾使用‘Cheers’的機(jī)會(huì)并不多，由此足見(jiàn)當(dāng)時(shí)的激動(dòng)?！碧K林說(shuō)。

圖 | 蘇林當(dāng)時(shí)發(fā)的郵件（來(lái)源：蘇林）

項(xiàng)目的后續(xù)推進(jìn)變得則越來(lái)越順，2021年2月他們完成了核心數(shù)據(jù)的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)。之后大家開(kāi)始分工撰寫(xiě)手稿。

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

不過(guò)有意思的是，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)也發(fā)生了一些地理意義上的人員變動(dòng)。蘇林繼續(xù)說(shuō)道：“2018年，Josh拿到美國(guó)能源部的獎(jiǎng)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(shí)驗(yàn)；2019年，Caroline教授拿到萊斯大學(xué)的offer和德州的funding，于是我們實(shí)驗(yàn)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(lái)繼續(xù)幫忙做實(shí)驗(yàn)，還在我家的沙發(fā)上睡了一個(gè)多月。”

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(shí)驗(yàn)，蘇林教他電化學(xué)。同時(shí)，他倆還是上下樓的鄰居。那時(shí)，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(ài)的貓。

看得出來(lái)，即便已在國(guó)外生活數(shù)年之久，蘇林依然保留著地道的中國(guó)飲食習(xí)慣。而他也表示：“回國(guó)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(shuō)：“大二暑假時(shí)跟朋友一起參加國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（當(dāng)時(shí)好像是南農(nóng)的第一屆），研究是真菌孢子對(duì)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(shí)研究的課題是納米材料對(duì)微生物胞外電子傳遞的促進(jìn)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(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)的資助，交流去了當(dāng)時(shí)在美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shuō)。

博士畢業(yè)之后，蘇林來(lái)到英國(guó)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(guò)構(gòu)建微生物-納米材料的生物復(fù)合體，來(lái)實(shí)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(yùn)地獲得了英國(guó) 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(jiǎng)學(xué)金（Early Career Fellowships）。在此之后，我打算申請(qǐng)教職，并建立自己的研究團(tuán)隊(duì)。我預(yù)計(jì)在2024年左右開(kāi)始關(guān)注招聘啟事并與國(guó)內(nèi)的用人單位聯(lián)系。”

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

審核編輯 ：李倩