合成生物学细胞传感技术在食品安全快速检测中的应用研究

2023-11-24陈俊伯

现代食品 2023年16期

关键词：核糖传感生物学

◎ 陈俊伯

（延边大学，吉林通化 135300）

传统的检测方法通常需要复杂的实验室设备和长时间的分析过程，而合成生物学细胞传感技术的出现为食品安全检测带来了新的可能性，该技术利用生物学元件，如感应元件和报告元件等，通过重新设计和改造细胞，可以实现对特定物质的敏感检测。

1 合成生物学细胞传感系统的感应元件

1.1 转录因子

合成生物学细胞传感系统中的一个重要感应元件是转录因子，转录因子是蛋白质分子，它们在细胞内起着关键的调控作用，可以感知外部环境中的特定信号，并调控与之相关基因的转录。在食品安全快速检测中，可以通过设计和工程化合成细胞，使其表达特定的转录因子，以响应食品中的潜在危险物质，这些转录因子的激活状态可以用来指示食品样本中是否存在特定的有害成分。针对食品中的病原微生物检测，可以设计转录因子，其活性受到病原微生物DNA 特异性结合的影响，当食品样本中存在病原微生物时，这些合成生物学细胞中的转录因子将与其DNA 结合，并启动报告元件的表达，产生可测量的信号，表明食品可能存在微生物污染。

1.2 核糖开关

核糖开关是合成生物学细胞传感系统中的另一个重要感应元件，是一种RNA 分子结构，具有可折叠的构象。它可以感知外部环境中的特定信号分子，如化学物质或生物分子，从而改变其构象，在食品安全快速检测中，核糖开关可以被设计成感知与食品安全相关的分子，当食品样本中存在特定病原微生物的DNA或有害化学物质时，核糖开关可以与这些分子相互作用，并发生构象变化，这种构象变化被用来激活报告元件，产生可测量的信号。核糖开关的优势之一是其高度特异性，由于其RNA 结构的特定性，核糖开关可以精确识别目标分子，减少误报率。此外，核糖开关对于不同类型的目标分子可以进行工程化，使其具有广泛的适用性。总的来说，在合成生物学细胞传感系统中，核糖开关的应用可以实现对多种食品安全问题的检测[1]。

2 合成生物学细胞传感系统的报告元件

2.1 荧光报告元件

在合成生物学细胞传感系统中，荧光报告元件是一种常用的报告元件，用于指示感应元件的活性变化，这些元件包括荧光蛋白和相关技术，具有可视化和实时监测的特点。因此，在食品安全快速检测中具有广泛的应用潜力。荧光蛋白是一类能够发出荧光信号的蛋白质，如绿色荧光蛋白（GFP）和红色荧光蛋白（RFP）。这些蛋白质可以与感应元件耦合，当感应元件受到刺激或激活时，荧光蛋白的表达也会相应改变，导致荧光信号的产生或消失。在食品安全检测中，可以将这些合成生物学细胞引入食品样本中，通过观察荧光信号的变化来检测食品中是否存在有害物质或微生物。荧光报告元件的优势之一是其高度可视化的特性，使操作人员能够实时观察到检测结果，这对快速检测非常有帮助。

2.2 发光报告元件

在合成生物学细胞传感系统中，发光报告元件是另一种重要的报告元件，通常用于指示感应元件的活性变化，这些报告元件可以产生可测量的光信号，因此广泛应用于食品安全快速检测中。发光报告元件通常包括发光酶或其他发光分子，这些元件与感应元件耦合，当感应元件受到刺激或激活时，发光报告元件的表达或活性也会相应改变，导致可测量光信号的产生。在食品安全检测中，合成生物学细胞引入食品样本中，通过观察光信号的变化来检测食品中是否存在有害物质或微生物。发光报告元件的一个显著特点是其高灵敏性，由于发光信号通常是定量可测量的，因此可以精确测量感应元件的活性变化，这使得发光报告元件在食品安全检测中能够提供高度精确的结果。在食品安全领域，发光报告元件具有多种应用，可以设计合成生物学细胞，使其在检测到食品中的微生物污染时产生光信号，从而实现快速的微生物检测。

2.3 生物传感器信号放大器

合成生物学细胞传感系统的成功，依赖于对感应元件和报告元件之间信号传递的高度灵敏性。为了增强系统的检测性能，通常需要引入生物传感器信号放大器，以放大从感应元件到报告元件的信号传递过程中产生的信号。生物传感器信号放大器是一种介于感应元件和报告元件之间的组件，可以增强感应元件的信号，并在报告元件中产生更强的响应，有助于提高检测的灵敏度和可靠性，使合成生物学细胞传感系统能够更可靠地检测食品中的安全问题。常见的生物传感器信号放大器是基因表达放大器，这些放大器可以包括多个拷贝的感应元件或报告元件，从而增加信号的产生和传递[2]。

3 基于合成生物学食品安全检测系统中的应用

3.1 食品微生物污染检测

食品微生物污染作为食品安全领域中的常见问题，经常导致各种食源性疾病暴发。合成生物学细胞传感技术具有巨大的应用潜力，它能够针对特定微生物或其DNA 进行高效检测。对于食源性病原微生物，如大肠杆菌、沙门氏菌、霍乱弧菌等，特定的细胞传感器被设计成对其高度敏感，这些传感器通常基于转录因子或核糖开关，当它们检测到目标微生物时会启动一个报告机制。例如，大肠杆菌O157:H7 的检测，就是通过利用其特定毒素基因作为目标进行的专门设计。有研究分析了沙门氏菌设计基于其特定蛋白质表达的传感器，结果表明与传统的PCR 技术、培养法相比，这些细胞传感器显示出更快的响应时间和更高的灵敏度。更值得注意的是，一些细胞传感器还被设计为能够在几小时内直接从食品样本中检测出微生物，无需事先的样品处理或营养物质培养，从而大大简化检测过程，提高检测效率[3]。

3.2 化学物质残留检测

食品中可能存在的化学物质残留，包括农药、食品添加剂和重金属等，是影响食品安全的另一主要因素。合成生物学细胞传感技术为检测这些有害物质提供革命性的工具，对于这些化学物质特定的细胞传感器可以被设计为高度敏感，并产生明显的信号。有研究设计出一个能够检测环境中痕量砷的细胞传感器，该传感器的工作原理是当砷存在时会激活一个特定的转录因子从而启动报告元件。此外，还有其他传感器被设计为能够检测农药如敌敌畏和对硝基苯胺，这些细胞传感器的工作原理通常基于对目标化学物质的生物可利用性或其与生物大分子的相互作用。相比于传统的质谱或色谱技术，这些细胞传感器的优势在于它们能够直接从复杂的食品样本中进行检测，而无需复杂的样品预处理。同时，这些传感器提供的信号通常是定量的，允许用户准确地得到食品样本中的污染物水平[4]。

4 总结与展望

4.1 合成生物学细胞传感器面临的挑战

合成生物学细胞传感技术在食品安全快速检测中具有潜力，但也面临挑战，需要在应用中加以克服。①食品样品非常复杂，包含多种成分和化学物质，如脂肪、蛋白质、糖类等，这些成分可能干扰合成生物学细胞的感应元件和报告元件的功能，降低检测的特异性和灵敏性。因此，需要开发适应复杂食品矩阵的传感系统。②传感器需要具备高度的特异性，以准确识别目标分子或微生物，避免误报。同时，为了检测低浓度的污染物或微生物，细胞传感器需要提高平衡特异性和灵敏性[5]。③合成生物学细胞传感系统需要具备稳定性和重复性，以便在不同条件下可靠运行，包括在不同温度、湿度和pH 条件下的稳定性，以及多次使用时的重复性。

4.2 合成生物学细胞传感器的发展方向

合成生物学细胞传感技术在食品安全快速检测领域有广泛的应用前景，未来的合成生物学细胞传感系统可以被设计成多模式检测，即一个系统可以同时检测多个目标。例如，一个细胞传感系统可以用来同时测量微生物污染和化学物质残留，从而提高检测的全面性和效率。同时，合成生物学细胞传感系统需要更广泛的适应性，能够应对各种食品样品的复杂性，包括对不同食品矩阵的适应性、不同食品加工条件的适应性等。未来的合成生物学细胞传感系统也可以具备智能化和自适应的特性，这意味着系统可以根据环境条件的变化自动调整，以提供稳定和可靠的检测结果[6]。

合成生物学细胞传感技术在食品安全领域具有广泛的发展前景，通过不断的研究和创新，可以使这一技术更好地满足食品工业的需求，确保食品的质量和安全。