比率型电化学DNA生物传感器检测棘冠海星环境DNA及其在珊瑚礁保护中的应用

《Bioelectrochemistry》：A ratiometric electrochemical DNA biosensor for the detection of crown-of-thorns starfish eDNA

本研究针对棘冠海星(COTS)爆发对珊瑚礁生态系统的严重威胁，开发了一种基于外切核酸酶III(Exo III)辅助靶标循环放大技术的比率型电化学DNA生物传感器。该传感器通过双信号检测机制与内参比探针校准，实现了对COTS环境DNA(eDNA)的超灵敏检测，检测限达93?fM，线性范围300?fM–10?nM，ddPCR验证显示其具有良好准确性(P>0.05)。该技术为珊瑚礁生态系统的早期预警提供了简便高效的现场检测方案。

　　

珊瑚礁生态系统被誉为"海洋热带雨林"，具有极高的生态和经济价值。然而近年来，棘冠海星（Crown-of-thorns starfish, COTS）的大规模爆发给珊瑚礁带来了毁灭性打击。例如2017-2021年间，南沙群岛太平岛附近的COTS种群暴发导致珊瑚覆盖率从33%骤降至0.9%，活珊瑚死亡率超过97%。传统监测方法如拖网调查和水下人工勘察不仅耗时费力，且难以发现隐蔽个体，无法实现早期预警。

环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术的出现为物种监测带来了革新。通过检测水体中脱落的DNA片段，研究人员可以非侵入性地评估物种分布。研究表明eDNA浓度与物种生物量呈正相关，利用数字滴液PCR（droplet digital PCR, ddPCR）技术已能监测COTS的种群动态。然而ddPCR对实验条件要求苛刻，且eDNA样品在运输过程中易降解，限制了其在现场检测中的应用。

为此，研究人员在《Bioelectrochemistry》发表论文，开发了一种比率型电化学DNA生物传感器。该研究采用外切核酸酶III（Exonuclease III, Exo III）介导的靶标循环放大策略，结合双信号检测系统和内参比探针校准，显著提高了检测的灵敏度和准确性。关键技术包括：基于COTS线粒体COI基因（mitochondrial COI gene）设计特异性探针；在金电极表面构建双信号探针系统；优化Exo III酶促反应条件；使用西沙群岛环境样品进行实际验证。

Principle of the ratiometric electrochemical DNA sensor

传感器工作原理基于Exo III辅助的靶标循环放大机制。首先将3'端硫醇化、5'端修饰二茂铁（Fc）的捕获探针（CP）通过Au-S键固定于金电极表面，同时将参比探针（RP）的5'端修饰亚甲蓝（MB）。当靶DNA存在时，与CP特异性结合形成双链，Exo III识别并切割CP的3'端，释放靶DNA和Fc标记片段，靶DNA可循环参与反应。切割导致Fc电流信号（I_Fc）降低，而MB电流信号（I_MB）保持稳定，通过I_Fc/I_MB比值实现比率检测。

Conclusion

研究表明该传感器检测限达93?fM，线性范围300?fM–10?nM，ddPCR验证显示无显著差异（P>0.05）。实际水样检测成功检出COTS eDNA，证实其现场应用潜力。

该研究通过创新性地整合Exo III酶促放大与比率检测策略，解决了传统单信号传感器易受电极界面干扰的难题。传感器的高灵敏度使其能够检测低密度COTS个体或幼虫，为珊瑚礁生态系统保护提供了可靠的早期预警工具。这种检测策略也为其他海洋入侵物种的监测提供了技术借鉴。