Whole-cell arsenite biosensor using photosynthetic bacterium Rhodovulum sulfidophilum
- 作者
- Hiroyuki Fujimoto, Masato Wakabayashi, Hidenori Yamashiro, Isamu Maeda, Katsuhiro Isoda, Masuo Kondoh, Masaya Kawase, Hitoshi Miyasaka, Kiyohito Yagi
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2006）
- DOI
- 10.1007/s00253-006-0483-6
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
开发一种利用光合细菌Rhodovulum sulfidophilum的全细胞砷生物传感器，通过肉眼可见的颜色变化检测亚砷酸盐，无需添加特殊试剂或设备，适用于缺乏电力的现场检测。
研究策略
构建含大肠杆菌ars操纵子调控区（O/Pars和arsR）以及光合细菌crtA报告基因的广宿主质粒pSENSE-As，转入crtA缺失的R. sulfidophilum CDM2菌株，使细胞在亚砷酸盐存在时因CrtA催化类胡萝卜素由黄色转化为红色而变色。
核心内容
本研究构建了一种基于光合细菌Rhodovulum sulfidophilum的全细胞亚砷酸盐生物传感器。研究人员将大肠杆菌ars操纵子的调控区（O/Pars和arsR）与光合细菌crtA报告基因组装成广宿主质粒pSENSE-As，并转入crtA缺失的CDM2菌株中。当细胞感知到亚砷酸盐时，ArsR阻遏蛋白解除抑制，CrtA催化类胡萝卜素由黄色转变为红色，从而实现肉眼直接判读。实验结果显示，该传感器在亚砷酸盐浓度为5 μg/L时呈现清晰的黄到红颜色变化，3 μg/L时已有轻微响应；RT-PCR证实crtA转录被显著诱导。传感器对铋和锑也有交叉响应，而对镉、钴、铅、镍、锌等金属无响应。该检测限低于多数国家10–50 μg/L的饮用水标准，且无需外加底物、特殊试剂或电力设备，仅凭阳光即可观察，为缺乏实验室条件的现场砷污染检测提供了低成本、便携的可行方案。
创新点
（1）首次利用光合细菌作为全细胞生物传感器宿主；（2）以crtA色素基因为新型报告基因，实现肉眼可见的颜色变化；（3）无需外加底物或检测设备，可在阳光下直接观察；（4）检测灵敏度达到5 μg/L，符合饮用水砷含量检测需求。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodovulum sulfidophilum CDM2 | 类胡萝卜素合成(Spheroidene pathway) | crtA | CrtA | 催化 | 报告基因，催化SE和DMSE转化为SO和DMSO，使菌落变红 |
| Rhodovulum sulfidophilum CDM2 | ars操纵子 | arsR | ArsR | 调控 | 砷响应调控蛋白，结合O/Pars抑制转录，在砷存在时解离 |
| Escherichia coli K12 | ars操纵子 | O/Pars | — | 调控 | 来自E. coli的砷响应启动子/操纵区，插入pSENSE-As中驱动crtA表达 |
关键发现
- 构建的传感器菌株CDM2(pSENSE-As)在亚砷酸盐浓度为5 μg/L时发生从黄色到红色的清晰颜色变化，3 μg/L时出现轻微变化
- 60 μg/L时SO和DMSO约占类胡萝卜素总量的60%
- RT-PCR证实crtA转录被显著诱导
- 对铋和锑也有响应，分别在60和600 μg/L时显著积累SO和DMSO
- 对Cd、Co、Pb、Ni、Zn等金属无响应
- 6000 μg/L亚砷酸盐对菌株有毒性作用。
研究结论
该全细胞生物传感器能够通过肉眼可见的颜色变化灵敏检测亚砷酸盐，检测限低于许多国家的饮用水标准（10-50 μg/L），且不需要特殊试剂和设备，有望开发为低成本的现场检测工具。