Novel Carotenoid-Based Biosensor for Simple Visual Detection of Arsenite: Characterization and Preliminary Evaluation for Environmental Application
- 作者
- Kazuyuki Yoshida, Koichi Inoue, Yuko Takahashi, Shunsaku Ueda, Katsuhiro Isoda, Kiyohito Yagi, Isamu Maeda
- 单位
- Department of Bioproductive Science, Faculty of Agriculture, Utsunomiya University, 350 Minemachi, Utsunomiya, Tochigi 321-8505, Japan; Graduate School of Pharmaceutical Science, Osaka University, 1-6 Yamada-oka, Suita, Osaka 565-0871, Japan
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2008）
- DOI
- 10.1128/AEM.00498-08
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解决现有全细胞砷生物传感器依赖仪器、受溶解氧影响、不适用地下水样本的问题，实现肉眼可见、稳定、适用于天然水样的亚砷酸盐检测。
研究策略
基于E. coli ars操纵子的ArsR-Pars调控系统，在Rhodopseudomonas palustris crtI缺失突变体中用类胡萝卜素合成基因crtI作为报告基因，砷诱导crtI表达使菌体从蓝绿/黄绿色变为红色，通过肉眼判别颜色变化检测亚砷酸盐。
研究路线图
核心内容
该研究构建了一种基于类胡萝卜素合成的全细胞砷生物传感器，用于肉眼可见地检测亚砷酸盐。研究者选择淡水光合细菌Rhodopseudomonas palustris的crtI缺失突变体，将E. coli ars操纵子的ArsR-Pars调控系统与crtI报告基因偶联，使砷诱导的crtI表达促使菌体颜色由蓝绿色变为红色，无需额外仪器即可判别。结果显示，在50 μg/L亚砷酸盐存在下，crtI mRNA在3小时和6小时分别诱导3倍和2.5倍，番茄红素含量约为对照的2倍。24小时内可分辨低至10 μg/L的亚砷酸盐，色相角变化显著，且该响应不受溶解氧影响。在天然水样中，10和50 μg/L的砷均引起肉眼可见的颜色变化；对As(V)的灵敏度比As(III)低500倍以上，对Sb(III)低25倍。双盲实验中，所有志愿者均能准确区分10 μg/L与更低浓度。该传感器无需仪器、稳定且适用于地下水样品，为砷污染的现场快速初筛提供了简便有效的工具。
创新点
1) 首次以crtI基因作为可视化报告基因构建全细胞砷生物传感器；2) 选用淡水光合细菌R. palustris，可直接用于地下水等淡水样品；3) CrtI催化的脱氢反应不需分子氧，使传感器颜色变化不受溶解氧浓度影响；4) 无需仪器，肉眼可在24 h内识别低至10 μg/L（WHO指南值）的亚砷酸盐。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodopseudomonas palustris no. 711 | 类胡萝卜素合成途径（螺菌黄素途径） | crtI | CrtI（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 报告基因，催化phytoene经四步脱氢生成lycopene，无需分子氧；其表达由砷诱导启动子控制，导致菌体变红。 |
| Rhodopseudomonas palustris no. 711 | E. coli ars操纵子调控通路 | arsR | ArsR | 调控 | 来自E. coli的阻遏蛋白，与Pars结合抑制下游转录；在亚砷酸盐存在时解离，启动crtI表达。 |
关键发现
- 在50 μg/L亚砷酸盐存在下，crtI mRNA在3 h和6 h分别诱导3倍和2.5倍
- 番茄红素含量约为对照的2倍，rhodopin为1.7倍，ζ-胡萝卜素降至1/5，neurosporene降至1/2。24 h后，菌体色相角从约92.8°（对照）随砷浓度升高向红色方向（0°）迁移，10 μg/L As时ΔHA约-23.62°（厌氧光）和-19.05°（好氧暗），50 μg/L时ΔHA约-27.39°和-21.40°，肉眼可分辨。在自来水、Volvic、Evian、Vittel配制的培养基中，10和50 μg/L As(III)均引起明显肉眼可见的颜色变化，ΔHA为-10.92至-20.80。对As(V)的灵敏度比As(III)低500倍以上（需要>5000 μg/L As(V)才能获得与10 μg/L As(III)相当的ΔHA），对Sb(III)低25倍。双盲实验中，30名志愿者全部（100%）能将0、0.5、1.0 μg/L与10 μg/L标准区分
- 对50 μg/L全部判为比10 μg/L更红
- 100和500 μg/L时96.7%判为更红。颜色变化最早在12 h可观察到。
研究结论
本研究构建的crtIBS菌株作为新型全细胞亚砷酸盐生物传感器，具有肉眼可见、稳定、适用于天然水样的优点，可有效区分砷浓度是否超过WHO饮用水指南值（10 μg/L），有望用于地下水的现场初筛。