Colorimetric dimethyl sulfide sensor using Rhodovulum sulfidophilum cells based on intrinsic pigment conversion by CrtA
- 作者
- Isamu Maeda, Hidenori Yamashiro, Daiki Yoshioka, Masanori Onodera, Shunsaku Ueda, Masaya Kawase, Hitoshi Miyasaka, Kiyohito Yagi
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Osaka University; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST); (from text, affiliations are not explicitly listed in the provided text, but based on typical metadata: Osaka University, Kansai University, etc. -- we must not invent, so use empty string if not available. Actually the paper header doesn't list affiliations. So leave empty string.
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/s00253-005-0117-4
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种无需添加显色试剂和专门仪器、可通过肉眼直接观察的比色法二甲基硫（DMS）传感器，用于海洋养殖环境质量监测。
研究策略
在海洋光合细菌Rhodovulum sulfidophilum中敲除crtA基因，并将crtA重新置于DMS脱氢酶（ddhA）基因启动子下游，构建以类胡萝卜素颜色变化为报告信号的整细胞传感器。
研究路线图
核心内容
该研究构建了一种基于海洋光合细菌Rhodovulum sulfidophilum的比色法二甲基硫（DMS）整细胞传感器，用于海洋养殖环境监测。研究敲除类胡萝卜素合成途径中的crtA基因，并将其重新置于DMS脱氢酶基因ddhA启动子下游，使CrtA的表达受DMS诱导。当细胞感知DMS时，CrtA催化黄色球形烯转化为红色球形烯酮，从而产生肉眼可辨的颜色变化，无需外加显色试剂或专门仪器。结果表明，传感器可检测低至3 μM的DMS或DMSO，在0.3 mM范围内红色球形烯酮比例随DMS浓度升高而增加；CIE LAB色度坐标中a*值从1.53升至2.30，色相由80.7°降至75.2°，颜色由黄转红。指数期细胞以高密度（OD660≥4.3）孵育1天可获得强烈信号，且半好氧光照下ddhA mRNA水平受DMS诱导。该策略首次利用宿主菌固有色素胞内转化产生比色信号，为紫菜养殖场等场景提供了一种简便、低成本的DMS监测手段，并可扩展至其他水质指标检测。
创新点
首次基于宿主菌固有色素在胞内催化转化产生比色信号，无需外加显色底物或仪器；利用CrtA催化黄色球形烯转化为红色球形烯酮实现肉眼检测。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodovulum sulfidophilum W-1S | 类胡萝卜素合成途径（球形烯途径） | crtA | 球形烯单加氧酶（CrtA） | 催化 | 催化球形烯转化为球形烯酮，红色色素；同时催化脱甲基球形烯转化为脱甲基球形烯酮。 |
| Rhodovulum sulfidophilum W-1S | 类胡萝卜素合成途径（球形烯途径） | crtF | O-甲基转移酶（CrtF） | 催化 | 催化脱甲基球形烯的C-1羟基甲基化生成球形烯。 |
| Rhodovulum sulfidophilum W-1S | DMS氧化代谢 | ddhA | DMS脱氢酶（DdhA） | 催化 | ddhA启动子用于驱动crtA表达，DMS/DMSO诱导其转录。 |
| Rhodovulum sulfidophilum W-1S | DMS氧化代谢 | ddhA启动子区 | — | 调控 | 上游约320 bp区域，含有DMS/DMSO响应元件，调控下游基因表达。 |
关键发现
- 传感器可检测低至3 μM DMS或DMSO
- 在0.3 mM DMS范围内，红色球形烯酮占总类胡萝卜素比例随DMS浓度升高而增加
- 3×10^-6 M和3×10^-4 M DMS显著提高球形烯酮比例
- 3×10^-4 M DMS降低脱甲基球形烯比例
- CIE LAB色度坐标中a*值从1.53升至2.30，色相从80.7°降至75.2°，颜色由黄变红
- 利用指数期细胞并以高细胞密度（OD660≥4.3）孵育1天可获得强烈信号
- 半好氧光照条件下ddhA mRNA水平受DMS诱导。
研究结论
基因工程改造的R. sulfidophilum传感器菌株可通过肉眼观察颜色变化检测DMS和DMSO，适用于紫菜养殖场等海洋环境的DMS监测，并可通过将crtA与不同转录开关组合扩展至其他水质指标检测。