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一种新型微生物传感器的设计 生物传感器起源于20世纪中期。196年，clark等人提出了将酶和电极结合起来测量酶底物的想法。1968年，udik和hisky开发了世界上第一个葡萄糖氧化酶电极，表明生物传感器的诞生。生物传感器是一种精密的分析器件, 它结合了一种生物或生物衍生敏感部件 (如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等) 与一只理化换能器 (如电化学电极、光学检测部件、气敏电极、热敏电阻等) , 能够产生间断或连续的数字电信号, 信号强度与被分析物含量成正比, 从而对被分析物进行定量和定性的测定。根据生物敏感部件的不同, 可以把生物传感器分类为组织传感器、微生物传感器、细胞器传感器、免疫传感器、酶传感器、DNA传感器, 其中酶传感器和微生物传感器研究得最多, 应用也最为广泛。 微生物传感器因为其成本低、操作简便、设备简单的特点而成为近年来生物传感器领域研究的热点, 主要应用于生物工业、环境监测以及临床医学等领域。谢佳胤等曾指出, 生物传感器商品化要具备以下条件:足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。表1比较了各种生物传感器选择性、稳定性等多项性能。 由表1可以看出, 微生物传感器最大的优点是成本低、操作简便、设备简单, 相比其他生物传感器具有独特的可取之处, 因此其市场前景十分巨大和诱人。 作者拟通过分析目前微生物传感器的研究手段和遇到的问题, 探讨合成生物学这一新兴交叉学科在研究微生物传感器中的应用, 并通过对应用实例的分析阐述其研究思路和发展前景。 1 微生物传感器 1.1 微生物细胞活性检测 微生物传感器是生物传感器的一个重要分支, 它使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感材料, 利用其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别被分析物, 原理见图1。 如图1所示, 微生物传感器的一般原理大致可以分为3种情况: (1) 样品中的物质会诱导启动微生物细胞中特定的启动子, 进而使得报告基因转录、翻译成可被检测的报告蛋白; (2) 微生物与底物作用, 在同化样品中有机物的同时, 微生物细胞的呼吸活性有所提高, 反应中会消耗氧或生成二氧化碳, 两者都是可检测物质; (3) 微生物与底物作用后生成各种可检测到的电极敏感代谢产物。在微生物数量和活性保持不变的情况下, 它消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质、二氧化碳、报告蛋白的量反映了被检测物质的量, 再借助气体敏感膜电极 (如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极等) 或离子选择电极 (如pH玻璃电极等) 以及微生物燃料电池检测出溶解氧和二氧化碳、电活性物质、报告蛋白的变化, 便能得出待测物质的量。 1.2 微生物传感器的展望 微生物具有价格低廉、无需考虑辅助因素、微生物成分可再生等优点, 尤其适用于发酵控制和需群酶顺序作用的反应。但是目前微生物传感器的制备仍然存在许多困难与不足之处, 限制了它的进一步市场化。如: (1) 由于微生物细胞中含有多种酶, 可同时对多种底物响应而产生干扰, 使得微生物传感器的选择性不尽如人意, 响应时间比酶传感器要长; (2) 用于环境监测时测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物寿命的关键因素, 也是微生物传感器市场化的主要控制因素, 但是目前筛选天然抗性菌株的工作量很大, 且具有盲目性和局限性; (3) 环境中污染物的数量越来越多, 而目前构建的报告菌株的广谱性还远远不够; (4) 由于微生物细胞保存方式和保存期有限, 所以微生物传感器的保存和运输方式也有待改进。 为了解决上述问题, 使微生物传感器能得到更好的应用和推广, 需要更具创新性的理念和技术, 特别是交叉学科的研究。合成生物学, 这一曾被《Nature》杂志誉为是“将生物领域基础研究转化为实际社会生产力, 连接基础学科与实际应用学科的高科技领域”, 是近年来生物技术领域备受瞩目的新兴学科。合成生物学正是以设计合成人工基因组并制造出具有指定功能可自我繁殖的活细胞, 完成或优化自然细胞所不能完成的任务为目标, 有望为微生物传感器目前遇到的局限和困难提供创新性的解决办法。 2 合成生物学 2.1 基因合成生物学 2009年《自然·生物技术》出版了“Focus on Synthetic Biology”的合成生物学专辑, 包括社论、进展综述、前景展望、产业发展、专利产权、政府监管等16篇论文。社论指出:合成生物学通过计算机设计, 用4种化学品 (A、G、T和C 4种核苷酸) 进行基因合成, 然后“即插即用”到具有最小化基因组的底盘生物中, 可以想象我们在将来能够毫不费力地创造不同形式的生命, 这项突破性的技术具有改变生物工程的潜力。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种不同, 合成生物学的目的在于建立人工生物体系, 让它们像电路