A selective and sensitive D-xylose electrochemical biosensor based on xylose dehydrogenase displayed on the surface of bacteria and multi-walled carbon nanotubes modified electrode
- 作者
- Liang Li, Bo Liang, Jianguo Shi, Feng Li, Marco Mascini, Aihua Liu
- 单位
- 中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物传感实验室、生物能源重点实验室；青岛科技大学化学与分子工程学院；山东省科学院生物研究所山东省生物传感器重点实验室；佛罗伦萨大学化学系
- 杂志
- Biosensors and Bioelectronics（2012）
- DOI
- 10.1016/j.bios.2011.12.027
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
传统D-木糖检测方法（如还原法、HPLC、毛细管电泳等）存在选择性差、耗时长、试剂昂贵、操作复杂等缺点，难以满足快速、灵敏、经济的选择性检测需求。
研究策略
将来自Caulobacter crescentus NA1000的木糖脱氢酶（XDH）基因与源自Pseudomonas borealis DL7的冰核蛋白N端锚定基序融合，展示在大肠杆菌细胞表面，直接作为生物催化剂，无需酶提取纯化；结合多壁碳纳米管（MWNTs）修饰玻碳电极，利用MWNTs对NADH的电催化氧化降低过电位并放大信号，构建Nafion/XDH-细菌/MWNTs复合膜电化学生物传感器。
核心内容
针对传统D-木糖检测方法选择性差、耗时长且成本高的问题，本研究构建了一种基于细菌表面展示木糖脱氢酶与多壁碳纳米管修饰电极的新型电化学生物传感器。研究人员将来自荚膜红细菌的木糖脱氢酶基因与来源于假单胞菌的冰核蛋白N端锚定基序融合，在大肠杆菌表面实现酶的功能性展示，免去酶提取纯化步骤；同时利用多壁碳纳米管对NADH的电催化氧化作用，将过电位降低约0.2 V并放大信号。该传感器对D-木糖的线性检测范围为0.6–100 μM，检测限低至0.5 μM，响应时间约5秒，且在300倍过量多种糖类及60倍L-阿拉伯糖存在下无干扰，表现优异的选择性。实际样品加标回收率为95.5%–102.9%，储存一个月后仍保持58%的响应。该策略为D-木糖的快速灵敏检测提供了经济高效的新途径，并有望拓展至生物燃料电池等生物电化学应用。
创新点
1. 首次将细菌表面展示酶与碳纳米管技术结合用于电化学生物传感器；2. 使用新发现的冰核蛋白（InaPb-N）作为锚定基序，实现XDH在细菌表面的功能性展示，免去酶纯化步骤；3. 传感器检测限达0.5 μM，远优于已报道的电化学木糖传感器（如20 μM、1 μM、0.5 mM等）。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | D-木糖氧化途径（D-木糖→D-木糖酸内酯） | xdh（来自Caulobacter crescentus NA1000） | 木糖脱氢酶（XDH） | 催化 | 催化D-木糖氧化并伴随NAD+还原为NADH，XDH活性达1.89±0.03 U/OD600 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 细胞表面展示系统 | inaPb-N（来自Pseudomonas borealis DL7） | 冰核蛋白N端锚定基序（InaPb-N） | 区室化 | 作为锚定基序将XDH融合展示于细菌外膜表面，使全细胞直接用作生物催化剂 |
关键发现
- 构建的Nafion/XDH-细菌/MWNTs/GCE传感器对D-木糖线性检测范围为0.6-100 μM，线性回归方程y =
- 02966 +
- 02915x（R=0.999），检测限为0.5 μM（S/N=3），响应时间约5 s；NADH氧化过电位降低约0.2 V（从0.70 V降至0.50 V）；在300倍过量D-葡萄糖、D-果糖、D-麦芽糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-蔗糖、D-纤维二糖及60倍过量L-阿拉伯糖存在下无干扰；同一传感器5次测量RSD为7%，5支传感器构建重复性RSD<10%；储存1个月后电流响应仍保持初始的58%；实际样品（秸秆降解产物、发酵液、啤酒）加标回收率为95.5%-102.9%，RSD≤8.9%。
研究结论
该微生物电化学生物传感器结合细菌表面展示技术与碳纳米管修饰，实现了D-木糖的快速、灵敏、选择性检测，具有优异的重现性、长期稳定性和实际样品适用性，为D-木糖分析提供了一种经济高效的新方法，并有望应用于阳极生物催化、生物燃料电池等生物电化学装置。