基于高效选择策略的MerR定向进化增强全细胞生物传感器对Hg2+ 的检测性能

为解决传统汞离子(Hg2+ )检测方法成本高、操作复杂的问题，中国研究人员通过三步选择策略（抗生素生存筛选-可视化筛选-双报告验证）对Tn501 MerR蛋白进行定向进化，获得突变体MerR E (V124E)。该突变体将检测灵敏度提升20倍（5 nmol/L），首次实现甲基汞(MeHgCl)响应，为环境汞污染监测提供了更灵敏的全细胞生物传感器(WCB)平台。

　　

汞污染是当今世界面临的重大环境健康挑战，汞离子(Hg²⁺
)及其有机化合物能通过食物链富集，对心血管、神经、肝肾等多系统造成不可逆损伤。尽管原子吸收光谱(AAS)等传统检测手段精度高，但依赖昂贵设备和专业操作，难以在资源有限地区推广。全细胞生物传感器(WCBs)因其成本低、操作简便成为理想替代方案，但其核心传感元件——来自Tn501转座子的MerR蛋白仍有优化空间。

中国某研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的研究中，创新性地建立了"三步选择法"定向进化系统：首先通过含庆大霉素和Hg²⁺
的LB平板(PLATE-KanGenHg)实现抗生素生存筛选，淘汰98%低活性突变体；接着利用可视化荧光筛选保留0.2%高表达突变体；最后通过双报告系统验证获得最优变体。该系统仅需普通实验设备，通量却媲美荧光激活细胞分选(FACS)。

关键实验技术包括：1) 易错PCR构建MerR突变库；2) 基于庆大霉素抗性的生存选择；3) 荧光素酶/β-半乳糖苷酶双报告系统验证；4) 实际水样和鱼组织样本检测验证。

【High-efficiency selection system for directed evolution of MerR】
研究发现MerR的"开-关"状态(On/Off state)调控是优化关键。通过将突变体库涂布于含50 μg/mL庆大霉素的PLATE-KanGenHg平板，仅2%菌落存活，证明该步骤可高效筛选高On状态突变。

【Identification of critical residue Val124】
定向进化锁定第124位缬氨酸为关键位点。突变体MerR E (V124E)不仅将Hg²⁺
检测限降至5 nmol/L（野生型100 nmol/L），更首次获得对甲基汞(MeHgCl)的响应能力，其激活效率比野生型高3.5倍。

【Applications in real-world samples】
在实际样本检测中，MerR E对自来水和鱼组织的Hg²⁺
回收率达92-107%，且能检测0.1 μmol/L MeHgCl，显著优于传统ICP-MS方法在复杂基质中的表现。

这项研究的意义在于：1) 建立了无需昂贵设备的定向进化新范式，为调控蛋白改造提供通用方案；2) 发现MerR第124位氨基酸是汞响应关键开关，为理性设计奠定基础；3) 拓展了WCBs在有机汞检测中的应用。正如通讯作者Hao Chen强调，该技术有望推广至砷、镉等其他重金属检测系统的开发，推动环境监测技术的平民化进程。