Evaluation and comparison of colorimetric outputs for yeast-based biosensors in laboratory and point-of-use settings
- 作者
- Andrea Clausen Lind, Florian David, Verena Siewers
- 单位
- Department of Life Sciences, Chalmers University of Technology; Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark
- 杂志
- FEMS Microbiology Letters（2024）
- DOI
- 10.1093/femsle/fnae034
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
评估和比较三种比色输出（番茄红素、prodeoxyviolacein、proviolacein）作为酵母生物传感器输出信号在实验室和现场检测场景下的灵敏度、动态范围、检测时间和易用性，以为不同应用场景选择合适的输出信号。
研究策略
基于简化的酵母交配信号通路（CEN.PK背景）作为传感平台，将三种色素生物合成通路（番茄红素、prodeoxyviolacein、proviolacein）分别整合到酵母基因组中，在琼脂平板、液体培养和纸条三种条件下比较诱导输出强度和检测时间，并计算相对色素强度与统计学显著性。
核心内容
本研究以酵母交配信号通路为传感平台，在CEN.PK背景中系统比较了番茄红素、prodeoxyviolacein和proviolacein三种比色输出信号在实验室及现场检测场景下的性能。作者将三种色素生物合成通路分别整合至酵母基因组，在琼脂平板、液体培养和纸条条件下评估检测时间、信号强度与易用性。结果显示，琼脂平板上三种色素均在72小时内清晰可见，24小时已可检测，但YPD培养基中基线表达略高；液体培养中番茄红素4小时即可测得吸光度，而两种violacein衍生物24小时内均无法通过吸光度定量；纸条检测中番茄红素6小时即达统计学显著（p=0.0028），24小时p=2.6e-05，prodeoxyviolacein和proviolacein则需24小时才显著（p=0.0061和p=0.0012）。综合而言，番茄红素凭借更短的检测时间和更高信号强度，仍是液体及纸条快速检测场景的首选输出；prodeoxyviolacein和proviolacein仅在琼脂平板等生物工程场景中与番茄红素相当，可作为替代比色输出，但不适用于时间敏感型应用。该工作为酵母生物传感器的输出信号选择提供了场景适配性依据。
创新点
['首次系统比较prodeoxyviolacein和proviolacein与番茄红素作为酵母生物传感器比色输出的性能', '将先前在S288C背景开发的简化交配通路重现在CEN.PK背景，并验证其低背景和线性响应', '评估了这三种输出在点护理检测（纸条）中的适用性，确定了各自的检测时间']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK（IMX581） | 酵母交配信号通路 | STE2, GPA1, STE12-LEXA | Ste2, Gpa1, Ste12-LexA | 调控 | 感知α-交配信息素并激活下游信号，经MAPK级联最终诱导合成启动子LexO-PRE驱动报告基因表达 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK（IMX581） | 番茄红素生物合成通路 | crtE, crtB, crtI (×2), FAD1 | CrtE, CrtB, CrtI, Fad1 | 催化 | 由法尼基二磷酸合成红色番茄红素；crtI双拷贝受诱导型启动子控制 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK（IMX581） | violacein生物合成通路（prodeoxyviolacein分支） | vioA, vioB, vioE | VioA, VioB, VioE | 催化 | 由L-色氨酸合成绿色prodeoxyviolacein；vioE受诱导型启动子控制 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK（IMX581） | violacein生物合成通路（proviolacein分支） | vioA, vioB, vioC, vioE | VioA, VioB, VioC, VioE | 催化 | 由L-色氨酸合成绿色/棕色proviolacein；vioE受诱导型启动子控制 |
关键发现
- 在琼脂平板上，三种色素在72小时内均可肉眼清晰检测，24小时已可见，且培养基复杂度影响基线表达（YPD中基线略高）。液体培养中，番茄红素在4小时达到可测量吸光度（相对吸收值），而prodeoxyviolacein和proviolacein在24小时内均无法通过吸光度测量。纸条检测中，番茄红素在6小时达到统计学显著输出（p=0.0028，单侧t检验），24小时p=2.6e-05
- prodeoxyviolacein和proviolacein在24小时才达到显著（p=0.0061和p=0.0012）。番茄红素检测时间在液体中为4小时、纸条上6小时，prodeoxyviolacein和proviolacein为24小时。
研究结论
番茄红素在液体和纸条应用中仍是首选的比色输出，具有更短的检测时间和更高的强度；而prodeoxyviolacein和proviolacein在生物工程（琼脂平板）场景中表现与番茄红素相当，适合作为替代比色输出，但不适用于需要快速检测的液体或纸条场景。