新型噬菌體誘導(dǎo)FRET傳感器：高效檢測(cè)大腸桿菌O157:H7
發(fā)布時(shí)間：2025-04-09 瀏覽次數(shù)：140
食品安全一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是由食源性病原體引發(fā)的疾病，不僅對(duì)人類健康構(gòu)成威脅，還給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。其中，大腸桿菌O157:H7（E. coli O157:H7）因其能夠產(chǎn)生志賀毒素，引發(fā)嚴(yán)重的血性腹瀉、腎衰竭甚至死亡，成為食品安全領(lǐng)域的重要檢測(cè)目標(biāo)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如平板培養(yǎng)法操作繁瑣且耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速檢測(cè)的需求。盡管聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)在一定程度上提高了檢測(cè)效率，但仍需復(fù)雜的樣品前處理步驟。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、靈敏且操作簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法顯得尤為重要。
近日，來(lái)自中南林業(yè)科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，提出了一種基于噬菌體M13誘導(dǎo)的“一對(duì)多”熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器，用于高效檢測(cè)大腸桿菌O157:H7。該傳感器不僅具有極高的靈敏度，檢測(cè)限低至6 CFU/mL，還在選擇性、檢測(cè)時(shí)間、準(zhǔn)確性和存儲(chǔ)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，為食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷提供了強(qiáng)有力的工具。
FRET技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）是一種高效的檢測(cè)技術(shù)，能夠通過(guò)能量從供體熒光分子向受體熒光分子的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的定量分析。FRET技術(shù)具有抗背景熒光干擾和環(huán)境干擾的能力，因此在復(fù)雜樣品中的應(yīng)用前景廣闊。然而，傳統(tǒng)的FRET技術(shù)存在一個(gè)顯著的限制：每個(gè)識(shí)別事件只能觸發(fā)一次FRET（“一對(duì)一”信號(hào)模式），這限制了其在痕量目標(biāo)檢測(cè)中的靈敏度。
為了克服這一限制，研究團(tuán)隊(duì)提出了“一對(duì)多”信號(hào)放大策略。通過(guò)利用噬菌體M13的結(jié)構(gòu)特性，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)識(shí)別事件觸發(fā)多次FRET，從而顯著提高了檢測(cè)靈敏度。
“一對(duì)多”FRET傳感器的構(gòu)建與工作原理
研究團(tuán)隊(duì)利用磁性微球（MBs）作為捕獲探針，將特異性識(shí)別大腸桿菌O157:H7的適配體固定在磁性微球表面，用于從食品樣品中分離目標(biāo)細(xì)菌。隨后，功能化的噬菌體O157S-M13K07-SBP作為檢測(cè)探針，與目標(biāo)細(xì)菌結(jié)合。由于P8蛋白的N端距離精確固定，鏈霉親和素標(biāo)記的FRET供體（SA-QD460）和受體（SA-QD620）可以通過(guò)SBP與SA的結(jié)合固定在噬菌體表面，形成FRET探針。每個(gè)噬菌體表面可以發(fā)生約605次FRET事件，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大。
圖1 A. M13噬菌體的結(jié)構(gòu)。M13外表面黃色突出顯示的氨基酸殘基代表N端丙氨酸，鏈霉親和素結(jié)合肽（SBP）即插入此處。B.通過(guò)兩步定點(diǎn)誘變構(gòu)建O157S-M13K07-SBP噬菌體載體。C. O157S-M13K07-SBP誘導(dǎo)并放大的用于高靈敏度檢測(cè)大腸桿菌O157:H7的FRET傳感器示意圖。
傳感器的性能評(píng)估
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該傳感器的性能進(jìn)行了全面評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在PBS、牛奶、豬肉和生菜樣品中對(duì)大腸桿菌O157:H7的檢測(cè)限分別為6 CFU/mL、15 CFU/mL、18 CFU/mL和17 CFU/mL，線性范圍從5.9×101到5.9×108 CFU/mL。此外，該傳感器在選擇性、準(zhǔn)確性和存儲(chǔ)穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出色。即使在儲(chǔ)存一個(gè)月后，F(xiàn)RET信號(hào)仍保持在80%以上，顯示出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
圖2 A.噬菌體誘導(dǎo)的福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器的選擇性。利用FRET探針（O157S-M13K07-QD460/620）中的QD620對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行定量分析。大腸桿菌O157:H7（ATCC43888）的濃度為5.9×104 CFU/mL，其他細(xì)菌濃度為105 CFU/mL，牛血清白蛋白（BSA）濃度為0.1%，單價(jià)離子濃度為100 mM，二價(jià)離子濃度為20 mM。B. FRET探針O157S-M13K07–QD460/QD620的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。每個(gè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)獨(dú)立樣本的平均值（n=3）。
實(shí)際應(yīng)用與前景
為了驗(yàn)證該傳感器的實(shí)際應(yīng)用能力，研究團(tuán)隊(duì)在牛奶、生菜、豬肉和湖水樣品中進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，回收率在82.3%至119.2%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在2.0%至9.2%之間，表明該傳感器在實(shí)際樣品中具有高準(zhǔn)確性和重復(fù)性。
圖3 利用噬菌體誘導(dǎo)的FRET傳感器對(duì)大腸桿菌O157:H7進(jìn)行定量檢測(cè)。圖中展示了在牛奶、豬肉和生菜中檢測(cè)濃度為5.9×（1、10、102、103、104、105、106、107、108）CFU/mL的大腸桿菌O157:H7時(shí)的熒光光譜（A、C、E）以及相應(yīng)的FRET信號(hào)（E%）（B、D、F）。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均為3個(gè)獨(dú)立樣本的平均值（n=3）。誤差棒表示3次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差。
這項(xiàng)研究的成功不僅為大腸桿菌O157:H7的檢測(cè)提供了一種高效、靈敏的新方法，還為FRET傳感器的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的思路。通過(guò)修改P3蛋白上的識(shí)別肽，該平臺(tái)可以進(jìn)一步應(yīng)用于其他目標(biāo)物的檢測(cè)，如其他病原菌、環(huán)境污染物或生物標(biāo)志物。
結(jié)論
這項(xiàng)研究展示了噬菌體M13在FRET傳感器中的巨大潛力。通過(guò)“一對(duì)多”信號(hào)放大策略，研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種高靈敏度、高選擇性的FRET傳感器，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)食品和環(huán)境樣品中的大腸桿菌O157:H7。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為食品安全和公共衛(wèi)生領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響，并為未來(lái)的生物傳感器設(shè)計(jì)提供新的方向。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，基于噬菌體的FRET傳感器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類健康和環(huán)境保護(hù)提供更加可靠的保障。
參考文獻(xiàn)：Meng M, Ma X, Yu L, et al. Phage-induced “one-to-many” FRET sensor for highly sensitive detection of Escherichia coli O157: H7[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2024, 264: 116661.
來(lái)源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~蔡偉程。
