合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)在食品安全快速檢測中的應(yīng)用研究

◎ 陳俊伯

（延邊大學(xué)，吉林 通化 135300）

傳統(tǒng)的檢測方法通常需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和長時(shí)間的分析過程，而合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)的出現(xiàn)為食品安全檢測帶來了新的可能性，該技術(shù)利用生物學(xué)元件，如感應(yīng)元件和報(bào)告元件等，通過重新設(shè)計(jì)和改造細(xì)胞，可以實(shí)現(xiàn)對特定物質(zhì)的敏感檢測。

1 合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)的感應(yīng)元件

1.1 轉(zhuǎn)錄因子

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)中的一個(gè)重要感應(yīng)元件是轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)錄因子是蛋白質(zhì)分子，它們在細(xì)胞內(nèi)起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，可以感知外部環(huán)境中的特定信號，并調(diào)控與之相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。在食品安全快速檢測中，可以通過設(shè)計(jì)和工程化合成細(xì)胞，使其表達(dá)特定的轉(zhuǎn)錄因子，以響應(yīng)食品中的潛在危險(xiǎn)物質(zhì)，這些轉(zhuǎn)錄因子的激活狀態(tài)可以用來指示食品樣本中是否存在特定的有害成分。針對食品中的病原微生物檢測，可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)錄因子，其活性受到病原微生物DNA 特異性結(jié)合的影響，當(dāng)食品樣本中存在病原微生物時(shí)，這些合成生物學(xué)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子將與其DNA 結(jié)合，并啟動(dòng)報(bào)告元件的表達(dá)，產(chǎn)生可測量的信號，表明食品可能存在微生物污染。

1.2 核糖開關(guān)

核糖開關(guān)是合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)中的另一個(gè)重要感應(yīng)元件，是一種RNA 分子結(jié)構(gòu)，具有可折疊的構(gòu)象。它可以感知外部環(huán)境中的特定信號分子，如化學(xué)物質(zhì)或生物分子，從而改變其構(gòu)象，在食品安全快速檢測中，核糖開關(guān)可以被設(shè)計(jì)成感知與食品安全相關(guān)的分子，當(dāng)食品樣本中存在特定病原微生物的DNA或有害化學(xué)物質(zhì)時(shí)，核糖開關(guān)可以與這些分子相互作用，并發(fā)生構(gòu)象變化，這種構(gòu)象變化被用來激活報(bào)告元件，產(chǎn)生可測量的信號。核糖開關(guān)的優(yōu)勢之一是其高度特異性，由于其RNA 結(jié)構(gòu)的特定性，核糖開關(guān)可以精確識別目標(biāo)分子，減少誤報(bào)率。此外，核糖開關(guān)對于不同類型的目標(biāo)分子可以進(jìn)行工程化，使其具有廣泛的適用性。總的來說，在合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)中，核糖開關(guān)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對多種食品安全問題的檢測[1]。

2 合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)的報(bào)告元件

2.1 熒光報(bào)告元件

在合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)中，熒光報(bào)告元件是一種常用的報(bào)告元件，用于指示感應(yīng)元件的活性變化，這些元件包括熒光蛋白和相關(guān)技術(shù)，具有可視化和實(shí)時(shí)監(jiān)測的特點(diǎn)。因此，在食品安全快速檢測中具有廣泛的應(yīng)用潛力。熒光蛋白是一類能夠發(fā)出熒光信號的蛋白質(zhì)，如綠色熒光蛋白（GFP）和紅色熒光蛋白（RFP）。這些蛋白質(zhì)可以與感應(yīng)元件耦合，當(dāng)感應(yīng)元件受到刺激或激活時(shí)，熒光蛋白的表達(dá)也會相應(yīng)改變，導(dǎo)致熒光信號的產(chǎn)生或消失。在食品安全檢測中，可以將這些合成生物學(xué)細(xì)胞引入食品樣本中，通過觀察熒光信號的變化來檢測食品中是否存在有害物質(zhì)或微生物。熒光報(bào)告元件的優(yōu)勢之一是其高度可視化的特性，使操作人員能夠?qū)崟r(shí)觀察到檢測結(jié)果，這對快速檢測非常有幫助。

2.2 發(fā)光報(bào)告元件

在合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)中，發(fā)光報(bào)告元件是另一種重要的報(bào)告元件，通常用于指示感應(yīng)元件的活性變化，這些報(bào)告元件可以產(chǎn)生可測量的光信號，因此廣泛應(yīng)用于食品安全快速檢測中。發(fā)光報(bào)告元件通常包括發(fā)光酶或其他發(fā)光分子，這些元件與感應(yīng)元件耦合，當(dāng)感應(yīng)元件受到刺激或激活時(shí)，發(fā)光報(bào)告元件的表達(dá)或活性也會相應(yīng)改變，導(dǎo)致可測量光信號的產(chǎn)生。在食品安全檢測中，合成生物學(xué)細(xì)胞引入食品樣本中，通過觀察光信號的變化來檢測食品中是否存在有害物質(zhì)或微生物。發(fā)光報(bào)告元件的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其高靈敏性，由于發(fā)光信號通常是定量可測量的，因此可以精確測量感應(yīng)元件的活性變化，這使得發(fā)光報(bào)告元件在食品安全檢測中能夠提供高度精確的結(jié)果。在食品安全領(lǐng)域，發(fā)光報(bào)告元件具有多種應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)合成生物學(xué)細(xì)胞，使其在檢測到食品中的微生物污染時(shí)產(chǎn)生光信號，從而實(shí)現(xiàn)快速的微生物檢測。

2.3 生物傳感器信號放大器

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)的成功，依賴于對感應(yīng)元件和報(bào)告元件之間信號傳遞的高度靈敏性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的檢測性能，通常需要引入生物傳感器信號放大器，以放大從感應(yīng)元件到報(bào)告元件的信號傳遞過程中產(chǎn)生的信號。生物傳感器信號放大器是一種介于感應(yīng)元件和報(bào)告元件之間的組件，可以增強(qiáng)感應(yīng)元件的信號，并在報(bào)告元件中產(chǎn)生更強(qiáng)的響應(yīng)，有助于提高檢測的靈敏度和可靠性，使合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)能夠更可靠地檢測食品中的安全問題。常見的生物傳感器信號放大器是基因表達(dá)放大器，這些放大器可以包括多個(gè)拷貝的感應(yīng)元件或報(bào)告元件，從而增加信號的產(chǎn)生和傳遞[2]。

3 基于合成生物學(xué)食品安全檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 食品微生物污染檢測

食品微生物污染作為食品安全領(lǐng)域中的常見問題，經(jīng)常導(dǎo)致各種食源性疾病暴發(fā)。合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力，它能夠針對特定微生物或其DNA 進(jìn)行高效檢測。對于食源性病原微生物，如大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等，特定的細(xì)胞傳感器被設(shè)計(jì)成對其高度敏感，這些傳感器通常基于轉(zhuǎn)錄因子或核糖開關(guān)，當(dāng)它們檢測到目標(biāo)微生物時(shí)會啟動(dòng)一個(gè)報(bào)告機(jī)制。例如，大腸桿菌O157:H7 的檢測，就是通過利用其特定毒素基因作為目標(biāo)進(jìn)行的專門設(shè)計(jì)。有研究分析了沙門氏菌設(shè)計(jì)基于其特定蛋白質(zhì)表達(dá)的傳感器，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的PCR 技術(shù)、培養(yǎng)法相比，這些細(xì)胞傳感器顯示出更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的靈敏度。更值得注意的是，一些細(xì)胞傳感器還被設(shè)計(jì)為能夠在幾小時(shí)內(nèi)直接從食品樣本中檢測出微生物，無需事先的樣品處理或營養(yǎng)物質(zhì)培養(yǎng)，從而大大簡化檢測過程，提高檢測效率[3]。

3.2 化學(xué)物質(zhì)殘留檢測

食品中可能存在的化學(xué)物質(zhì)殘留，包括農(nóng)藥、食品添加劑和重金屬等，是影響食品安全的另一主要因素。合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)為檢測這些有害物質(zhì)提供革命性的工具，對于這些化學(xué)物質(zhì)特定的細(xì)胞傳感器可以被設(shè)計(jì)為高度敏感，并產(chǎn)生明顯的信號。有研究設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠檢測環(huán)境中痕量砷的細(xì)胞傳感器，該傳感器的工作原理是當(dāng)砷存在時(shí)會激活一個(gè)特定的轉(zhuǎn)錄因子從而啟動(dòng)報(bào)告元件。此外，還有其他傳感器被設(shè)計(jì)為能夠檢測農(nóng)藥如敵敵畏和對硝基苯胺，這些細(xì)胞傳感器的工作原理通常基于對目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的生物可利用性或其與生物大分子的相互作用。相比于傳統(tǒng)的質(zhì)譜或色譜技術(shù)，這些細(xì)胞傳感器的優(yōu)勢在于它們能夠直接從復(fù)雜的食品樣本中進(jìn)行檢測，而無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理。同時(shí)，這些傳感器提供的信號通常是定量的，允許用戶準(zhǔn)確地得到食品樣本中的污染物水平[4]。

4 總結(jié)與展望

4.1 合成生物學(xué)細(xì)胞傳感器面臨的挑戰(zhàn)

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)在食品安全快速檢測中具有潛力，但也面臨挑戰(zhàn)，需要在應(yīng)用中加以克服。①食品樣品非常復(fù)雜，包含多種成分和化學(xué)物質(zhì)，如脂肪、蛋白質(zhì)、糖類等，這些成分可能干擾合成生物學(xué)細(xì)胞的感應(yīng)元件和報(bào)告元件的功能，降低檢測的特異性和靈敏性。因此，需要開發(fā)適應(yīng)復(fù)雜食品矩陣的傳感系統(tǒng)。②傳感器需要具備高度的特異性，以準(zhǔn)確識別目標(biāo)分子或微生物，避免誤報(bào)。同時(shí)，為了檢測低濃度的污染物或微生物，細(xì)胞傳感器需要提高平衡特異性和靈敏性[5]。③合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)需要具備穩(wěn)定性和重復(fù)性，以便在不同條件下可靠運(yùn)行，包括在不同溫度、濕度和pH 條件下的穩(wěn)定性，以及多次使用時(shí)的重復(fù)性。

4.2 合成生物學(xué)細(xì)胞傳感器的發(fā)展方向

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)在食品安全快速檢測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，未來的合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成多模式檢測，即一個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)檢測多個(gè)目標(biāo)。例如，一個(gè)細(xì)胞傳感系統(tǒng)可以用來同時(shí)測量微生物污染和化學(xué)物質(zhì)殘留，從而提高檢測的全面性和效率。同時(shí)，合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)需要更廣泛的適應(yīng)性，能夠應(yīng)對各種食品樣品的復(fù)雜性，包括對不同食品矩陣的適應(yīng)性、不同食品加工條件的適應(yīng)性等。未來的合成生物學(xué)細(xì)胞傳感系統(tǒng)也可以具備智能化和自適應(yīng)的特性，這意味著系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境條件的變化自動(dòng)調(diào)整，以提供穩(wěn)定和可靠的檢測結(jié)果[6]。

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)在食品安全領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景，通過不斷的研究和創(chuàng)新，可以使這一技術(shù)更好地滿足食品工業(yè)的需求，確保食品的質(zhì)量和安全。

5 結(jié)語

合成生物學(xué)細(xì)胞傳感技術(shù)有望在食品安全領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為食品工業(yè)提供更可靠、快速和實(shí)時(shí)的檢測方法，以確保食品的質(zhì)量和安全。未來，相信通過不斷的研究和創(chuàng)新，可以克服當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，使這一技術(shù)更好地服務(wù)于食品安全的需求。