高特异性、灵敏性 重金属污染的生物传感研究获新进展
发布时间：2022/11/28 9:55:45编辑：Ma Liang
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20世纪以来，随着社会经济的快速发展，化石燃料燃烧、金属矿产资源的采选冶、含有害重金属的农药和化肥使用以及生活污染的排放，导致土壤、水体、大气等环境重金属污染程度与污染面积逐年增加，污染严重地区粮食安全生产均受到了不同程度的威胁。
重金属主要指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等，其具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，治理成本高，危害大，对环境和人体本身都会产生严重的危害。如对人体来说，汞食入后会直接沉入肝脏，对大脑视力神经破坏极大；铬会造成四肢麻木、精神异常等。
目前常用的重金属离子检测方法包括比色法、毛细管电泳法及原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，这些方法均具有较高的精确度，能够用于大部分金属离子的检测，从而得到了广泛应用。然而，这些方法都具有一定的局限性，如检测成本过高、耗时过长、操作复杂、不利于实时和现场监测，不能直接反映重金属离子造成的生物危害等。 
生物传感器一般指由天然的（细胞、核酸、抗体和酶等）或人工合成的（重组抗体和工程蛋白等）生物材料或仿生材料（合成催化剂和分子印迹聚合物等）与物理化学的换能器或换能微系统紧密整合而成的生物分析仪器。生物传感器的种类繁多，根据材料识别元件可分为酶生物传感器、免疫传感器、全细胞传感器、核酸传感器等，酶生物传感器和细胞生物传感器主要被用于工业中的重金属离子监测。
砷和锑是我国高度关注的2种重金属污染物，尽管目前在砷污染防控方面已经进行了大量的研究，基于亚砷酸盐转录调控因子ArsR蛋白构建的全细胞生物传感器也已成功应用于农村地区亚砷酸盐污染的现场监控。然而迄今为止，关于锑的特异性生物识别元件及其全细胞生物传感器的构建和应用仍未见报道。
近段时间，广东省科学院微生物研究所研究员许玫英团队利用合成生物学的理念，构建了一种新的锑特异性全细胞生物传感策略，为砷/锑双信号同步在线监测的生物传感技术的建立提供了科学支撑。他们通过分析锑暴露诱导表达的响应基因，在食异源物鞘氨醇菌Sphingobium xenophagum C1菌株中鉴定了一种新型的三氧化二锑特异识别元件SxArsR转录调控蛋白。
并基于SxArsR蛋白的特异性和SxArsR结合DNA序列的敏感性，研究人员在大肠杆菌细胞中植入并展示了由SxArsR核心操纵子/启动子区控制的SxArsR-萤火虫荧光素酶融合蛋白，使三氧化二锑浓度与诱导生物发光信号成正比，构建了一种新型的大肠杆菌全细胞生物传感器。这种基于SxArsR转录调控因子构建的生物传感器对三氧化二锑具有高特异性、灵敏性和线性响应，对环境水样和沉积物中痕量三氧化二锑也表现出良好的监测性能。
生物传感器在环境监测尤其是重金属离子监测领域极具发展潜力，尽管目前的生物传感器研究应用仍处于初级阶段，但随着今后新的生物传感器不断被构建，能够实现连续监测、微型化、多参数、多功能化的同时，并且成本经济合理、便于操作携带、性能稳定等优点与特性的生物传感器，必然是未来的发展方向。
重金属主要指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等，其具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，治理成本高，危害大，对环境和人体本身都会产生严重的危害。如对人体来说，汞食入后会直接沉入肝脏，对大脑视力神经破坏极大；铬会造成四肢麻木、精神异常等。
目前常用的重金属离子检测方法包括比色法、毛细管电泳法及原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，这些方法均具有较高的精确度，能够用于大部分金属离子的检测，从而得到了广泛应用。然而，这些方法都具有一定的局限性，如检测成本过高、耗时过长、操作复杂、不利于实时和现场监测，不能直接反映重金属离子造成的生物危害等。
砷和锑是我国高度关注的2种重金属污染物，尽管目前在砷污染防控方面已经进行了大量的研究，基于亚砷酸盐转录调控因子ArsR蛋白构建的全细胞生物传感器也已成功应用于农村地区亚砷酸盐污染的现场监控。然而迄今为止，关于锑的特异性生物识别元件及其全细胞生物传感器的构建和应用仍未见报道。
近段时间，广东省科学院微生物研究所研究员许玫英团队利用合成生物学的理念，构建了一种新的锑特异性全细胞生物传感策略，为砷/锑双信号同步在线监测的生物传感技术的建立提供了科学支撑。他们通过分析锑暴露诱导表达的响应基因，在食异源物鞘氨醇菌Sphingobium xenophagum C1菌株中鉴定了一种新型的三氧化二锑特异识别元件SxArsR转录调控蛋白。
并基于SxArsR蛋白的特异性和SxArsR结合DNA序列的敏感性，研究人员在大肠杆菌细胞中植入并展示了由SxArsR核心操纵子/启动子区控制的SxArsR-萤火虫荧光素酶融合蛋白，使三氧化二锑浓度与诱导生物发光信号成正比，构建了一种新型的大肠杆菌全细胞生物传感器。这种基于SxArsR转录调控因子构建的生物传感器对三氧化二锑具有高特异性、灵敏性和线性响应，对环境水样和沉积物中痕量三氧化二锑也表现出良好的监测性能。
生物传感器在环境监测尤其是重金属离子监测领域极具发展潜力，尽管目前的生物传感器研究应用仍处于初级阶段，但随着今后新的生物传感器不断被构建，能够实现连续监测、微型化、多参数、多功能化的同时，并且成本经济合理、便于操作携带、性能稳定等优点与特性的生物传感器，必然是未来的发展方向。
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（来源： 中国科学报 ）
标签：原子吸收光谱仪,传感器
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