Bioluminescent bioreporter integrated-circuit sensing of microbial volatile organic compounds

作者: S. Ripp, K. A. Daumer, T. McKnight, L. H. Levine, J. L. Garland, M. L. Simpson, G. S. Sayler
杂志: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology（2003）
DOI: 10.1007/s10295-003-0093-6
所属领域: 合成生物学
关键词: BBICBioluminescenceBioreporterMVOCluxp-cymene
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解决的核心问题

构建能够快速、灵敏检测微生物挥发性有机化合物（MVOC）p-cymene的生物发光报告菌株，并与集成电路微光度计结合，实现封闭空间内真菌污染的远程实时监测。

研究策略

将恶臭假单胞菌F1的cymB启动子（受p-cymene诱导）与费氏弧菌luxCDABE发光基因盒融合，构建报告菌株P. putida UT93；采用海藻酸盐包埋固定化细胞，并使用流式气相系统测定响应特性；将UT93固定在集成电路微光度计上，通过无线通信远程检测罗克福尔青霉生长产生的p-cymene等MVOC。

研究路线图

100%

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核心内容

研究人员将受p-cymene诱导的恶臭假单胞菌F1的cymB启动子与费氏弧菌luxCDABE发光基因盒融合，构建了报告菌株P. putida UT93，并将其包埋于海藻酸盐中固定化，继而与集成电路微光度计整合，实现了对封闭空间内真菌污染的远程无线监测。该报告菌株在0.02–850 ppm的p-cymene浓度范围内产生生物发光，响应时间小于1.5小时，其中在0.03–35.67 ppm范围内呈线性响应，峰信号出现在暴露后1.5–2小时。非生物VOC如m-二甲苯、p-二甲苯和苯乙烯在0.05 ppm时虽也能诱导发光，但其峰值相对发光单位分别为2.24、2.36和1.54，均显著低于p-cymene的5.15。集成系统在暴露于罗克福尔青霉培养物3.5小时内即可检测到显著信号，持续约35小时，而对照组大肠杆菌未引发响应。该研究证明了基于cymB启动子的生物发光报告菌株能够快速、灵敏且特异性地检测真菌产生的p-cymene，并可通过集成电路实现实时远程监测，为室内空气质量评估提供了一种不依赖传统GC/MS分析的新方法。

创新点

['利用p-cymene诱导型cymB启动子构建了特异性生物发光报告菌株', '将报告菌株与集成电路微光度计（BBIC）整合，实现远程无线传感', '无需传统GC/MS方法，可在3.5小时内检测到真菌生长信号']

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Pseudomonas putida UT93	cym operon	cymB promoter	—	调控	p-cymene/p-cumate诱导型启动子，驱动luxCDABE表达
Pseudomonas putida UT93	luxCDABE bioluminescence	luxCDABE	LuxCDABE	催化	来自费氏弧菌的生物发光基因盒，催化产生可见光
Pseudomonas putida F1	p-cymene degradation	cymR	CymR	调控	cym操纵子的阻遏蛋白，响应p-cymene/p-cumate
Penicillium roqueforti	MVOC synthesis	—	—	催化	目标检测真菌，产生p-cymene等挥发性代谢物

关键发现

报告菌株UT93在0.02–850 ppm p-cymene浓度范围内产生生物发光，响应时间小于1.5小时
在0.03–35.67 ppm范围内呈线性响应（R²=0.91），峰信号出现在暴露后1.5–2小时。非生物VOC（m-二甲苯、p-二甲苯、苯乙烯）在0.05 ppm时也可诱导发光，但峰值RBU分别为2.24、2.36和1.54，而p-cymene为5.15，至少低两倍。与BBIC集成后，暴露于罗克福尔青霉培养物3.5小时内即可检测到显著生物发光信号，并持续约35小时
GC/MS测得青霉产生的p-cymene浓度为0.012–0.025 ppm。对照组大肠杆菌K12未引发显著信号。

研究结论

成功开发了针对p-cymene的生物发光报告菌株P. putida UT93，其检测范围覆盖人体不适至恶心浓度，且可集成到BBIC中实现远程、实时监测真菌污染，对细菌生长无交叉响应，具有应用于室内空气质量监测的潜力。