合成生物學細胞傳感技術在食品安全快速檢測中的應用研究

◎ 陳俊伯

（延邊大學，吉林 通化 135300）

傳統的檢測方法通常需要復雜的實驗室設備和長時間的分析過程，而合成生物學細胞傳感技術的出現為食品安全檢測帶來了新的可能性，該技術利用生物學元件，如感應元件和報告元件等，通過重新設計和改造細胞，可以實現對特定物質的敏感檢測。

1 合成生物學細胞傳感系統的感應元件

1.1 轉錄因子

合成生物學細胞傳感系統中的一個重要感應元件是轉錄因子，轉錄因子是蛋白質分子，它們在細胞內起著關鍵的調控作用，可以感知外部環境中的特定信號，并調控與之相關基因的轉錄。在食品安全快速檢測中，可以通過設計和工程化合成細胞，使其表達特定的轉錄因子，以響應食品中的潛在危險物質，這些轉錄因子的激活狀態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，可以設計轉錄因子，其活性受到病原微生物DNA 特異性結合的影響，當食品樣本中存在病原微生物時，這些合成生物學細胞中的轉錄因子將與其DNA 結合，并啟動報告元件的表達，產生可測量的信號，表明食品可能存在微生物污染。

1.2 核糖開關

核糖開關是合成生物學細胞傳感系統中的另一個重要感應元件，是一種RNA 分子結構，具有可折疊的構象。它可以感知外部環境中的特定信號分子，如化學物質或生物分子，從而改變其構象，在食品安全快速檢測中，核糖開關可以被設計成感知與食品安全相關的分子，當食品樣本中存在特定病原微生物的DNA或有害化學物質時，核糖開關可以與這些分子相互作用，并發生構象變化，這種構象變化被用來激活報告元件，產生可測量的信號。核糖開關的優勢之一是其高度特異性，由于其RNA 結構的特定性，核糖開關可以精確識別目標分子，減少誤報率。此外，核糖開關對于不同類型的目標分子可以進行工程化，使其具有廣泛的適用性。總的來說，在合成生物學細胞傳感系統中，核糖開關的應用可以實現對多種食品安全問題的檢測[1]。

2 合成生物學細胞傳感系統的報告元件

2.1 熒光報告元件

在合成生物學細胞傳感系統中，熒光報告元件是一種常用的報告元件，用于指示感應元件的活性變化，這些元件包括熒光蛋白和相關技術，具有可視化和實時監測的特點。因此，在食品安全快速檢測中具有廣泛的應用潛力。熒光蛋白是一類能夠發出熒光信號的蛋白質，如綠色熒光蛋白（GFP）和紅色熒光蛋白（RFP）。這些蛋白質可以與感應元件耦合，當感應元件受到刺激或激活時，熒光蛋白的表達也會相應改變，導致熒光信號的產生或消失。在食品安全檢測中，可以將這些合成生物學細胞引入食品樣本中，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或微生物。熒光報告元件的優勢之一是其高度可視化的特性，使操作人員能夠實時觀察到檢測結果，這對快速檢測非常有幫助。

2.2 發光報告元件

在合成生物學細胞傳感系統中，發光報告元件是另一種重要的報告元件，通常用于指示感應元件的活性變化，這些報告元件可以產生可測量的光信號，因此廣泛應用于食品安全快速檢測中。發光報告元件通常包括發光酶或其他發光分子，這些元件與感應元件耦合，當感應元件受到刺激或激活時，發光報告元件的表達或活性也會相應改變，導致可測量光信號的產生。在食品安全檢測中，合成生物學細胞引入食品樣本中，通過觀察光信號的變化來檢測食品中是否存在有害物質或微生物。發光報告元件的一個顯著特點是其高靈敏性，由于發光信號通常是定量可測量的，因此可以精確測量感應元件的活性變化，這使得發光報告元件在食品安全檢測中能夠提供高度精確的結果。在食品安全領域，發光報告元件具有多種應用，可以設計合成生物學細胞，使其在檢測到食品中的微生物污染時產生光信號，從而實現快速的微生物檢測。

2.3 生物傳感器信號放大器

合成生物學細胞傳感系統的成功，依賴于對感應元件和報告元件之間信號傳遞的高度靈敏性。為了增強系統的檢測性能，通常需要引入生物傳感器信號放大器，以放大從感應元件到報告元件的信號傳遞過程中產生的信號。生物傳感器信號放大器是一種介于感應元件和報告元件之間的組件，可以增強感應元件的信號，并在報告元件中產生更強的響應，有助于提高檢測的靈敏度和可靠性，使合成生物學細胞傳感系統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放大器，這些放大器可以包括多個拷貝的感應元件或報告元件，從而增加信號的產生和傳遞[2]。

3 基于合成生物學食品安全檢測系統中的應用

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域中的常見問題，經常導致各種食源性疾病暴發。合成生物學細胞傳感技術具有巨大的應用潛力，它能夠針對特定微生物或其DNA 進行高效檢測。對于食源性病原微生物，如大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等，特定的細胞傳感器被設計成對其高度敏感，這些傳感器通常基于轉錄因子或核糖開關，當它們檢測到目標微生物時會啟動一個報告機制。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進行的專門設計。有研究分析了沙門氏菌設計基于其特定蛋白質表達的傳感器，結果表明與傳統的PCR 技術、培養法相比，這些細胞傳感器顯示出更快的響應時間和更高的靈敏度。更值得注意的是，一些細胞傳感器還被設計為能夠在幾小時內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物質培養，從而大大簡化檢測過程，提高檢測效率[3]。

3.2 化學物質殘留檢測

食品中可能存在的化學物質殘留，包括農藥、食品添加劑和重金屬等，是影響食品安全的另一主要因素。合成生物學細胞傳感技術為檢測這些有害物質提供革命性的工具，對于這些化學物質特定的細胞傳感器可以被設計為高度敏感，并產生明顯的信號。有研究設計出一個能夠檢測環境中痕量砷的細胞傳感器，該傳感器的工作原理是當砷存在時會激活一個特定的轉錄因子從而啟動報告元件。此外，還有其他傳感器被設計為能夠檢測農藥如敵敵畏和對硝基苯胺，這些細胞傳感器的工作原理通常基于對目標化學物質的生物可利用性或其與生物大分子的相互作用。相比于傳統的質譜或色譜技術，這些細胞傳感器的優勢在于它們能夠直接從復雜的食品樣本中進行檢測，而無需復雜的樣品預處理。同時，這些傳感器提供的信號通常是定量的，允許用戶準確地得到食品樣本中的污染物水平[4]。

4 總結與展望

4.1 合成生物學細胞傳感器面臨的挑戰

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

4.2 合成生物學細胞傳感器的發展方向

合成生物學細胞傳感技術在食品安全快速檢測領域有廣泛的應用前景，未來的合成生物學細胞傳感系統可以被設計成多模式檢測，即一個系統可以同時檢測多個目標。例如，一個細胞傳感系統可以用來同時測量微生物污染和化學物質殘留，從而提高檢測的全面性和效率。同時，合成生物學細胞傳感系統需要更廣泛的適應性，能夠應對各種食品樣品的復雜性，包括對不同食品矩陣的適應性、不同食品加工條件的適應性等。未來的合成生物學細胞傳感系統也可以具備智能化和自適應的特性，這意味著系統可以根據環境條件的變化自動調整，以提供穩定和可靠的檢測結果[6]。

合成生物學細胞傳感技術在食品安全領域具有廣泛的發展前景，通過不斷的研究和創新，可以使這一技術更好地滿足食品工業的需求，確保食品的質量和安全。

5 結語

合成生物學細胞傳感技術有望在食品安全領域發揮更大的作用，為食品工業提供更可靠、快速和實時的檢測方法，以確保食品的質量和安全。未來，相信通過不斷的研究和創新，可以克服當前面臨的挑戰，使這一技術更好地服務于食品安全的需求。