新型酵母生物传感器有望高效检测病原真菌

MEMS 2024-02-23 00:01

G蛋白偶联受体(GPCR)是真核生物中最大、种类最多的膜受体之一。GPCR在人体视觉、嗅觉、味觉,以及激素和神经递质的信号转导中发挥着重要的生理功能,在细胞信号传导以及免疫调节中也发挥着重要作用。利用GPCR构建的生物传感器,可用于化学物质、细菌、病毒和疾病的检测,并且具有成本低、便携等特性。

近日,厦门大学教授袁吉锋团队在一项最新研究中,增强了酵母生物传感器在真菌检测方面的性能。这种工程化酵母生物传感器具有较好的灵敏度和信号输出强度,为该类生物传感器在公共卫生领域的实际应用提供了新思路。相关研究成果发表在《生物传感与生物电子》上。

基于酿酒酵母细胞构建生物传感器

生物传感器一般被认为是一种化学传感设备和分析设备。袁吉锋介绍,早期的生物传感器主要由两个部分构建,分别是生物元件和传感器元件。生物元件可以是酶、抗体、核酸、细胞或仿生组织等,这些特定的生物元件可以识别特定的分析物;传感器元件包括电流、电势等,它们负责将生物分子的变化转换为电信号。

“生物传感器的广泛开发与应用,主要归功于生物元件对于其敏感的分析物具有很强的特异性,不会识别其他分析物。利用生物传感器,可以快速、实时获得有关分析物准确可靠的信息。”袁吉锋说。

合成生物学的发展推动了细胞生物传感器的开发。这种生物传感器以活细胞为生物元件,基于活细胞受体检测细胞内外的微环境状况和生理参数的变化,并通过两者之间的相互作用产生细胞信号转导,进一步激活不同的信号输出模块,从而产生不同的信号。

袁吉锋介绍,从本质上讲,其他类型的生物传感器使用的是从生物中提取出的生物元件。而基于活细胞的细胞生物传感器是一种独特的生物传感器,它可以通过模拟细胞正常的生理生化变化来检测信号。目前,这种生物传感器已成为医疗诊断、环境分析、食品质量控制、化学制药工业和药物检测领域的新兴工具。

“用于构建细胞生物传感器的生物元件包括细菌细胞、真菌细胞以及哺乳动物细胞。我们这次所构建的工程化酵母生物传感器,正是基于酿酒酵母细胞所构建的真菌细胞传感器。”袁吉锋说,酿酒酵母细胞用于生物传感器的构建,在细胞性能上具有优势。作为一种真核生物,酿酒酵母细胞与哺乳动物细胞的大多数细胞特征和分子机制一致,特别是与感知和响应环境刺激密切相关的GPCR信号通路具有极高的相似性;酿酒酵母是酵母物种中第一个基因组已完全测序的真核生物,并且遗传修饰工具非常完备;酿酒酵母的培养条件简易、培养成本低、生长速度快、温度耐受范围宽,可以通过冷冻或脱水等方式进行储存和运输,具有生物安全性。

可进一步设计改造成检测试纸

基于工程化酵母细胞构建生物传感器多年来一直是研究热点。袁吉锋团队此次通过人工转录因子,将GPCR信号通路与高效基因转录模块——半乳糖调控模块进行耦合,在酵母生物传感器中引入了一个额外的正反馈回路,以此来增强酵母生物传感器的灵敏度和信号输出强度。

袁吉锋解释说:“我们相当于设计了一种正反馈放大器,让酿酒酵母细胞中GPCR在识别到白色念珠菌的信息素信号之后,不仅能通过人工转录因子激活下游信号报告模块的表达,同时还能驱动半乳糖调控模块自身的转录因子Gal4表达。两个转录因子协同作用,就能持续激活和放大报告基因的输出信号。”

数据显示,相比于初始传感器的性能,改造后的酵母生物传感器的检测限提升了4000倍,激活浓度提升了9700倍,信号输出强度提升了近3倍,尤其是信号输出的持续时间得到了明显提升。初始传感器在检测使用2小时后就出现荧光信号的衰退,而改造后的传感器在使用12小时后仍可产生明显的荧光信号。

“此次构建的酵母生物传感器,可以设计成一种简单、低成本的检测试纸,用于检测医疗样本或环境样本中的病原真菌。”袁吉锋介绍,只需将试纸浸入待检测液体样本中,即可实现对该样本快速灵敏和可视化的检测。

“酿酒酵母易于遗传改造,且具有外源GPCR较好的兼容表达能力。因此,在进行GPCR识别受体的替换或改造后,有望制出高通量、多信号输出的真菌检测试纸,用于检测食品真菌污染、人体病原真菌、植物致病真菌等。此外,这种酵母生物传感器未来还可在更多领域发挥作用,比如食品质量控制、新药研发等。”袁吉锋说。

延伸阅读:
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》

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