基于AtBigR调控系统的全细胞生物传感器开发及其在环境超硫化物检测中的应用

本研究针对环境样品中超硫化物（supersulfides）检测的技术难题，开发了基于Agrobacterium tumefaciens BigR（AtBigR）转录因子的高特异性全细胞生物传感器（WCB）。通过系统优化调控系统，实现了对S8、无机/有机多硫化物等超硫化物的微摩尔级检测，并成功应用于海洋沉积物和锂硫电池电解液分析，为环境监测和能源材料研究提供了新工具。

　　

在自然界硫循环和锂硫电池等能源系统中，超硫化物（supersulfides）——包括零价或单负价态硫链化合物（如S₈、HSS_nH、RSS_nH）——扮演着关键角色。然而，这些化合物的高反应活性和结构复杂性使其准确定量成为长期挑战。传统检测方法如氰解分析（cyanolysis）存在毒性大、重现性差的问题，而色谱-质谱联用技术又受限于设备成本和前处理复杂度。更棘手的是，现有荧光探针往往无法区分不同超硫化物物种。这种技术瓶颈严重阻碍了人们对硫循环机制和锂硫电池性能的理解。

针对这一难题，山东大学的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表研究，创新性地利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）的超硫化物感应转录因子BigR（AtBigR），开发出首个高特异性全细胞生物传感器（AtBigR-WCB）。该团队通过筛选9种潜在转录因子（图1A），发现AtBigR对S₈的响应系数最高（图2C），随后通过核糖体结合位点（RBS）优化和启动子改造，使传感器背景泄漏降至可忽略水平，同时获得超过1000倍的诱导系数（图2H）。关键技术创新包括：1）采用双启动子架构（P_lacUV5-R与P_R-mkate反向排列）；2）优化报告基因mKate表达系统；3）建立海洋沉积物（含潮间带、深海平原等样本）和锂多硫化物电解液检测流程。

主要研究结果

1. 转录因子筛选与优化
   通过比较9种候选转录因子（表S2），AtBigR对S₈的响应特异性显著优于其他感应器，对H₂S、硫代硫酸盐等干扰物无交叉反应。启动子强度定量分析显示，改造后的P_R启动子泄漏率降低98%。

2. 海洋沉积物超硫化物分布
   应用AtBigR-WCB检测发现，不同海底地形沉积物中超硫化物积累呈现深度依赖性：潮间带样品在5-10 cm层出现峰值（2.3 μM），而深海平原样品在20-30 cm层积累量最高（4.7 μM），证实微生物硫转化是主要来源。

3. 锂硫电池电解液监测
   该传感器成功量化了电解液中Li₂S_n（n=4-8）的动态变化，检测限达0.5 μM，为电池性能优化提供了新方法。

4. 合成生物学应用
   优化后的AtBigR调控系统展现出极低的基础表达量（<0.1%），成为合成生物学中新型基因开关的候选元件。

结论与意义
该研究不仅建立了首个超硫化物特异性生物传感平台，更揭示了海洋沉积物中超硫化物的垂直分布规律，为硫循环研究提供了直接证据。在应用层面，该技术解决了锂硫电池多硫化物监测的技术瓶颈，其低泄漏调控系统还为合成生物学工具箱增添了新成员。值得一提的是，研究团队特别声明使用Kimi 1.0辅助语言润色，但所有科学结论均经严格验证。这项工作由中国家自然科学基金（32270037）和山东省自然科学基金（ZR2023MC004）联合资助，相关技术已申请专利保护。