中国研发活体生物电传感器，将全细胞生物传感器用于环境污染监测

互推小编 2023-12-02

有关传感器的研究工作有很多，什么样的才能获得 Nature 的青睐？正在剑桥大学做博后研究的苏林，可能有自己的见解和体会。

图 | 苏林（来源：苏林）

近日，他和读博时所在团队研发的活体生物电传感器终于正式公开，相关论文已被Nature 录用。

（来源：Nature）

合成生物学与微生物学“结合”出一款传感器

据介绍，针对环境污染物，活体生物电传感器可以实现快速生物电传感检测。此前，生物传感领域内的响应信号，需要二次转换为电信号，以便进行程序分析和传输，这导致响应时间通常比较长。针对这一限制，该成果进行了优化和突破。

对于环境污染的监测尤其是水资源的污染监测，一直是人类面临的全球性环境挑战。污染物质的释放往往是动态和瞬时性的，因此需要对可能的污染物进行实时监测。

传统方式一般通过定时定点取样，然后送回实验室利用大型仪器进行测试，在时效性上存在明显的劣势。

目前，结合生物传感技术与合成生物学，学界已经开发出了可在现场部署的生物传感器。但是，大部分传感监测输出的信号都是视觉信号，比如颜色的变化和发光等。

尽管部分生物电传感器可以利用改造后的电活性微生物，对特定物质进行识别并直接输出电信号。然而，这些传感器都依赖基因的转录调节，检测过程中需要历经从 DNA 转录成 mRNA、再翻译成蛋白质的过程，故其响应时间一般在 30 分钟甚至更久。

另外，水体中富含着各类化学物质，也时刻会发生环境条件的变化，比如温度、pH、水速、含氧量等。这些往往会对传感器信号造成干扰，致使信噪比降低、以及响应时间被拖长。

而此次研究结合合成生物学、电化学、材料科学等，让监测目标污染物的时间被缩至三分钟，并能直接输出电传感信号。

（来源：Nature）

其主要包括以下三项突破：

第一，该团队构建了一条来自四种不同生物、横跨两个不同生物域的氧化还原酶所组成的人造电子传递通路，实现了对于目标物质的识别、信息传递、以及对于监测过程的能量供应。

第二，研究人员使用蛋白质开关，来对电子传递过程进行控制，响应时间短，非常适合对环境中的瞬时污染物排放进行持续监测。

第三，课题组利用水凝胶材料和导电纳米颗粒，对改造后的微生物进行封装，在防止微生物逃逸到环境中的同时，还提升了传感信号的信噪比。

可以说，这款活体生物电传感器在很多领域都具备应用前景，尤其是在环境监测方面。而且，在传感通路的设计上，课题组采用了模块化构思，因此理论上每个模块都能根据具体需求进行修改和设计。

另外，在智慧农业、助力工业废物处理和水安全、甚至远洋深海资源探测上，这款传感器都能发挥作用。

对于本次研究，一位评审专家表示：“在过去 20 年里，已有大量利用生物作为传感器的先例（例如植物在爆炸物的存在下改变颜色等)，但它们存在通过生物感知产生视觉或电信号所需时间较长的限制。本文作者将合成生物学与微生物电化学进行结合，实现了待测物的传感监测。总的来说，该成果对分析化学领域产生了深刻影响，并将引起人们对于合成生物学与微生物学领域的广泛兴趣。”

还有审稿人表示：“该工作对以往的生物电传感体系进行了大幅改进，并验证了将基于全细胞的生物传感器用于实时监测的可能性。最重要的是避免了在基因转录过程中的延迟。”

近日，相关论文以《环境污染物的实时生物电子传感》（Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants）为题发表在 Nature 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

美国莱斯大学生物科学系约书亚·阿特金森（Joshua T. Atkinson）博士、苏林博士是共同一作，莱斯大学生物工程系乔纳森·席尔伯格（Jonathan J. Silberg）教授、以及莱斯大学生物科学系卡罗琳·阿霍-富兰克林（Caroline M. Ajo-Franklin）教授担任共同通讯作者。

“We got a 4HT sensor”

据介绍，此次课题的最早构思源自于 2015 年“合成生物学:工程、进化与设计”（Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design）大会[2]。

这分别涉及到两位人物：Caroline 教授课题组的摩西·巴鲁克（Moshe Baruch）博士、以及Silberg 教授课题组的乔什·阿特金森（Josh Atkinson）博士。

两人的姓氏分别以 B 和 A 开头，当时两位博士的演讲海报排在最前面，并恰巧被安排在一起。

Caroline 课题组的研究方向之一是微生物的电信号输出，而 Silberg 课题组主要研究铁氧化还原蛋白的功能和蛋白质开关的构建，这分别对应了本次论文中的信号输出模块和信号输入模块。

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，两支课题组建立联系并决定合作，半年后他们获得了第一笔研究经费的资助。

苏林则于 2016 年秋季加入Caroline 课题组，一开始他接手的是另一个课题。

2017 年夏季，苏林的第一个项目基本完工之后，正好 Moshe 的博后职位快要结束。

“这时，我的导师 Caroline 和 Moshe 找我来参与电传感的课题。与 Silberg 教授课题组的 Josh 等人合作。项目推进并没有想象中顺利，我跟 Josh 也因此不得不延期各自的博士答辩。”苏林说。

由于他们设计的传感通路实在是太过复杂，在三年间的大部分时间里，研究团队都在不停地构建工程菌、验证、失败、再重新构建，如此往复。

期间最大的挑战在于，有好几次检测了到传感信号，但是兴奋之后仔细分析发现是假阳性、或者对照组设计的不够严谨，这时只好推翻再来。

（来源：Nature）

2020 年下半年，实验开始迎来起色。Josh 把蛋白开关部分进行了升级改造，测试效果得到明显改善。

“再后来，Xu Zhang 博士的加入，帮忙解决了不少技术难点，也让实验进展更加顺利。2020 年 11 月底，我给两位教授以及 Josh 发了封邮件，邮件的 title 是 ‘We got a 4HT sensor’，4HT 就是我们目标污染物（4-hydroxytamoxifen）的缩写。一般来说，在邮件结尾使用‘Cheers’的机会并不多，由此足见当时的激动。”苏林说。

图 | 苏林当时发的邮件（来源：苏林）

项目的后续推进变得则越来越顺，2021 年 2 月他们完成了核心数据的最后一个实验。之后大家开始分工撰写手稿。

苏林表示：“不停地失败并坚持的过程就挺难忘的，还有 Nature 的发表周期太长了非常折磨人。”

不过有意思的是，随着项目的推进也发生了一些地理意义上的人员变动。苏林继续说道：“2018 年，Josh 拿到美国能源部的奖学金，得以让他从休斯顿飞到伯克利跟我们一起做了大半年的实验；2019 年，Caroline 教授拿到莱斯大学的 offer 和德州的 funding，于是我们实验室从伯克利搬到休斯顿；2020 年，Josh 毕业之后去南加州大学做博后，中途暑假又飞回来继续帮忙做实验，还在我家的沙发上睡了一个多月。”

期间，苏林跟 Josh 也成了很好的合作伙伴和朋友。他教苏林合成生物学的实验，苏林教他电化学。同时，他俩还是上下楼的邻居。那时，苏林经常端着中式料理下楼去找 Josh 喝酒，Josh 则提供德州风味的烧烤、甜品和两只可爱的猫。

看得出来，即便已在国外生活数年之久，苏林依然保留着地道的中国饮食习惯。而他也表示：“回国工作一直是我努力的目标之一。”

图 | 苏林（来源：苏林）

出生于江西鹰潭的苏林，其本科就读于南京农业大学生物技术专业。他说：“大二暑假时跟朋友一起参加国家大学生创新性实验计划（当时好像是南农的第一届），研究是真菌孢子对杂草的治理，可以算是我最早的科研经历了。”

之后考研到东南大学生物物理专业读硕，导师是付德刚教授。当时研究的课题是纳米材料对微生物胞外电子传递的促进作用。

“硕士毕业后继续在付老师组里读博，专业方向是生物医学工程的纳米生物器件。博士期间获得了国家留学基金管理委员会的资助，交流去了当时在美国伯克利国家实验室的Caroline课题组学习合成生物学。博士论文的课题最终确定在利用合成生物学编辑微生物的电子传递，并将其应用在微生物电传感方面。”他说。

博士毕业之后，苏林来到英国剑桥大学化学系欧文·赖斯纳（Erwin Reisner）教授课题组研究人工光合作用，主要研究如何通过构建微生物-纳米材料的生物复合体，来实现光能的转换和二氧化碳的还原[2]。

其表示：“我目前在剑桥大学担任博士后研究员，并且很幸运地获得了英国 Leverhulme Trust 和剑桥三一学院 Isaac Newton Trust 提供的三年早期职业研究员奖学金（Early Career Fellowships）。在此之后，我打算申请教职，并建立自己的研究团队。我预计在 2024 年左右开始关注招聘启事并与国内的用人单位联系。”

参考资料：

1.Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature 611, 548–553 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y

2.RICE NEWS: Bacterial sensors send a jolt of electricity when triggered. https://news.rice.edu/news/2022/bacterial-sensors-send-jolt-electricity-when-triggered

3.University of Cambridge, Lucy Cavendish College, Dr Lin Su. https://www.lucy.cam.ac.uk/fellows/dr-lin-su

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