摘要
实时化学传感对于环境和健康监测的应用至关重要1．生物传感器可以通过遗传电路检测到各种分子，遗传电路使用这些化学物质触发彩色蛋白质的合成，从而产生光信号2，3.，4．然而，蛋白质表达的过程限制了这种感知的速度大约为半小时，而且光信号通常很难在原位检测到5，6，7，8．在这里，我们结合合成生物学和材料工程开发生物传感器，产生电子读数，检测时间为几分钟。我们编程大肠杆菌使用模块化的，八组分的合成电子传输链对特定的化学物质产生电流。按照设计，该菌株在暴露于硫代硫酸盐(一种导致微生物繁殖的阴离子)2分钟内产生电流。这个安培传感器随后被修改以检测内分泌干扰物。在合成途径中加入蛋白质开关，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测到城市水道样品中的内分泌干扰物。我们的研究结果为检测大量运输时间有限的各种化学品提供了设计规则，并为小型、低功率的生物电子传感器提供了新的平台，以保护生态和人类健康。
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确认
E。杆菌EW11和编码FNR和SIR的基因是P. Silver(哈佛大学)的礼物。pSIM19是D. Court (NIH-National Cancer Institute)的礼物。pSS9 (Addgene，质粒71655)，pSS9- rna (Addgene，质粒71656)和pX2-Cas9 (Addgene，质粒8581)是来自R. Gill(科罗拉多大学)的礼物。我们感谢李s .(莱斯大学)对水取样的帮助;X. Chen和C. Masiello(莱斯大学)在TOC测量的帮助下;杜宏、付东(东南大学)2@TiN纳米复合材料合成;J. Soman(莱斯大学)负责内部评审并提供写作建议;以及莱斯大学(Rice University)的M. Baruch，感谢他帮助制定该项目的概念。美国能源部基础能源科学办公室资助DE-SC0014462(给J.J.S.和G.N.B.);海军研究办公室拨款0001418IP00037(给C.M.A.-F)， N00014-17-1-2639(给J.J.S.)和N00014-20-1-2274(给C.M.A.-F)。和J.J.S.);德克萨斯州癌症预防和研究机构RR190063(给美国医学会协会);国家科学基金拨款1843556(授予J.J.S.和G.N.B.);能源系科学研究生研究办公室(SCGSR)项目奖学金DE‐SC0014664(授予J.T.A.);Loideska Stockbridge Vaughn奖学金(授予J.T.A.); and China Scholarship Council Fellowship CSC-201606090098 (to L.S.). Work at the Molecular Foundry was supported by the Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, of the US Department of Energy under contract number DE-AC02-05CH11231.
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作者和隶属关系
贡献
J.t.a, l.s, c.m.a - f。j。j。s。构思了这个项目j。t。a完成了所有的分子生物学和基因组工程。J.T.A.和L.S.进行了测试，以验证模块的功能。L.S.和x.z开发了细胞封装协议，进行了硫代硫酸盐和4-HT传感的生物电化学分析，并进行了水取样。L.S.合成了WO3.和TiO2@TiN纳米材料。x.z和c.m.a.f。进行扩散建模。j.t.a.、L.S.和x.z对所有数据进行了分析和可视化，并制作了原理图。j.t.a.， l.s.， X.Z, J.J.S.和c.m.a.f。写了手稿。所有作者都对手稿进行了审阅和编辑。
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道德声明
相互竞争的利益
J.J.S, J.T.A.和G.N.B.已经提交了一份专利申请(编号16/186,226)，涉及碎片蛋白作为化学依赖性电子载体的使用，名为“使用碎片蛋白调节电子流”。l.s.， x.z和c.m.a.f。没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Luying Xun和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。
扩展的数据图和表
图1硫源对硫化物演化的影响大肠杆菌EW11。
（一个硫的代谢和调节原理图大肠杆菌(黄色)输入模块的氧化还原耦合(蓝色)通过这个途径。（B) PbS累积及(C)的光密度+C−O−在含有2 mM硫酸盐、亚硫酸盐或硫代硫酸盐和不同数量aTc的M9sa培养基中24小时后表达Fd的载体菌株，以控制Fd的表达。当aTc添加量< 7.81 nM时，含硫酸盐和亚硫酸盐介质的光密度显著低于含硫代硫酸盐介质(p= 8.47 × 10−53.91 nM aTc加硫酸盐，p= 6.98 x 10−8对于0 nM aTc和硫酸盐，p= 1.70 × 10−4对于3.91 nM aTc与亚硫酸盐，p= 7.16 x 10−8)为0 nM aTc与亚硫酸盐。（D) PbS累积及(E)在含有不同量硫代硫酸盐和不同量aTc的M9sa培养基中24 h后的光密度来控制Fd的表达。在≥0.25 mM硫代硫酸盐介质中，aTc (p> 0.01对于所有浓度)。图B-E中，符号和误差柱分别代表均值和标准差(n = 3个生物独立样本)。p值采用双尾独立t检验获得。
图2输出模块表达对细胞色素水平的影响。
（一个) I的红色强度值C42AC−O+(圈)或者IC42AC−O−在含有不同数量IPTG的2xYT培养基中好氧生长(方形)细胞球，诱导CymA-MtrCAB的表达。（B) I的蓝色强度值C42AC−O+(圈)或者IC42AC−O−(方)在含有乳酸和电致变色WO的最小介质中3.当呈现EET的微生物还原时从白色变为蓝色的纳米颗粒。（C细胞密度(OD600)我的C42AC−O+(圈)或者IC42AC−O−(正方形)在含有不同数量IPTG的M9最小培养基中生长。I的成长C42AC−O+> 10µM IPTG (p= 6.55 × 10−312.5 μ M时，p= 7.30 × 10−625 μ M，p= 3.87 × 10−450 μ M时，p= 4.65 × 10−6100 μ M时，p= 5.89 × 10−5200 μ M)。数据代表平均值，误差条代表一个标准差(n = 3个生物独立样本)。p值采用双尾独立t检验获得。
图3表达SQR细胞中砜硫的积累。
磺胺硫探针SSP4处理细胞的相对荧光。细胞表达的荧光Gssqr和钢筋混凝土-SQR显著高于用空载体转化的细胞(EV) (p= 4.89 × 10−3而且p= 3.14 × 10−3分别)。表达细胞的荧光Gs -SQR和Rc -SQR无显著差异。误差条表示一个标准偏差(n = 3个生物学上独立的样本)，单个样本用白色圆圈表示，条高表示平均值。p值采用双尾独立t检验获得。
图4浮游细胞对硫代硫酸盐有微小的噪声电流响应。
（一个浮游生物的时安培响应+C+O+和我C42AC+O+生物电化学反应器中的细胞。箭头表示添加不同浓度的硫代硫酸盐。数据代表平均值，误差条代表一个标准差(n = 3个生物独立样本)。工作电极稳定在+0.42 V她．（B)信噪比(SNR)的计算方法是用细菌产生的平均电流除以电流的标准差(n = 3)。计算了150 ~ 400 min的平均信噪比，以反映浮游(-凝胶)和包封(+凝胶)菌株之间的信噪比变化，+凝胶为140.00,I+C+O+， 4.35 for -gel, I+C+O+， 12.27为+凝胶，IC42AC+O+-gel为2.88,IC42AC+O+．
图5不同范围的硫代硫酸盐遥感线性拟合。
5分钟(一个)及30分钟(B)传感时间，线性范围从0.1 mM到20 mM;5分钟(C)及30分钟(D)感知时间，线性范围从0.1 mM到10 mM。
图6 .扩展数据
电流响应和计算信号强度年代C+O+和我C42AC+O+加入DMSO后(一个，B，C)或4-HT (D，E，F)在每个2-EWE配置的be中，工作电极平衡在+0.42 V她．时间零点表示计时安培测量的开始。
图7 I+C+O+和我C42AC+O+到复杂城市水道样品中的硫代硫酸盐。
I的安培响应增加的百分比+C+O+相对于IC42AC+O+紧接之前及6.54分钟(p= 0.045)，在布雷斯河口(红色)、布法罗河口(蓝色)和加尔维斯顿海滩(绿色)的水道样品中添加10毫米硫代硫酸盐。每个点代表一个单一水道复制，中心线代表三个水道样本的响应平均值，误差条代表一个标准偏差。
图8环境样品循环伏安法分析。
（一个)每个环境样品都有多对氧化还原峰，表明存在大量的氧化还原活性化学物质，可能干扰4-HT的感知。（B)添加0.2%葡萄糖的环境样品的伏安谱没有变化。所有的cv都在10 mV/s的扫描速率下测量。
扩展数据图9增加TiO2@TiN纳米颗粒可以收集更多的电流。
（一个)计时安培计及(BI的电流+C+O+用海藻酸盐-琼脂糖水凝胶包覆菌株，加或不加TiO2添加1 mM硫代硫酸盐后的@TiN纳米颗粒(箭头)。被纳米颗粒包裹的菌株对硫代硫酸盐的反应速度更快，稳态水平更高。数据代表两个生物学上独立的测量。
图10生物电子传感器响应扩散时间尺度计算的简化一维几何图。
分析物从大块溶液通过琼脂糖层扩散到嵌入在电极表面水凝胶中的细胞示意图。
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引用本文
阿特金森，j.t.，苏丽丽，张旭。et al。环境污染物的实时生物电子传感。自然(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y
