工程化大肠杆菌的多通道生物电子传感技术：实现重金属污染同步检测的新突破

为解决环境水质监测中多参数同步检测的技术瓶颈，Xu Zhang等研究人员通过在大肠杆菌(E. coli)中构建双电子传递通路(CymA-Mtr和核黄素合成通路)，开发出能同时检测砷(As3+)和镉(Cd2+)的生物电子传感器。该研究利用氧化还原电位差异设计算法，将生物信号转化为2比特数字输出，实现了美国环保署(EPA)限值下的重金属精准区分，为复杂环境中的实时监测提供了新工具。

　　

水环境污染监测正面临重大挑战——传统实验室检测方法耗时费力，而现有现场传感器难以实现多污染物同步识别。尤其对于砷和镉等重金属，美国环保署(EPA)规定的饮用水限值分别低至0.13μM和0.045μM，亟需开发兼具高灵敏度与多参数检测能力的新技术。

在这一背景下，国外研究团队创新性地将合成生物学与电化学技术相结合。研究人员选择两种特性迥异的胞外电子传递(EET)通路：来自Shewanella oneidensis的CymA-Mtr通路（依赖细胞色素c，氧化还原电位+0.077V）和源自Bacillus subtilis的核黄素合成通路（分泌黄素类介质，氧化还原电位-0.220V）。通过将这两条通路分别与砷响应启动子和镉响应启动子耦合，成功在单一大肠杆菌菌株中构建出双通道传感系统。

研究采用的关键技术包括：1）合成生物学方法构建含重金属响应启动子的基因回路；2）双电位阶跃计时电流法(DPSC)区分不同氧化还原电位的电子传递信号；3）开发基于电位依赖型算法的2比特数字编码系统；4）使用环境水样验证实际应用性能。

多通道传感的设计策略

通过比较不同EET通路的氧化还原特性，选择CymA和核黄素通路作为传感通道。两条通路在0.2V电位下均可被激活，但在-0.2V时仅核黄素通路保持活性，这种差异为信号区分奠定基础。

双电子传递通路的构建

利用IPTG/aTc诱导系统验证概念可行性后，研究人员将启动子替换为砷/镉响应元件。MoO₃纳米颗粒显色实验证实，2.5μM砷可使CymA表达量提升3倍（p=0.002），而0.8μM镉使胞外黄素浓度增加8倍。电化学检测显示，单独激活任一路径可使稳态电流(j_ss)从3.2μA/cm²分别提升至8.1μA/cm²（砷）和4.3μA/cm²（镉）。

氧化还原电位依赖型算法开发

为解决双通路信号重叠问题，创新性地采用四电位检测策略：0.2V/0V配对解析CymA通路活性（R_CymA=j_0.2V/j_0V），-0.2V/-0.4V配对解析核黄素通路活性（R_FL=j_-0.4V/j_-0.2V）。算法设定阈值1.2，成功将四种重金属组合状态编码为00/01/10/11的2比特信号。

EPA限值下的检测性能

在实验室培养基中，传感器对0.1μM砷（低于EPA限值）的R_CymA达1.2（p=0.035），对0.045μM镉（EPA限值）的R_FL达1.97（p=0.0046）。特异性实验证实系统对铜、镍等其他金属无交叉反应。

环境样本验证

在休斯顿Brays Bayou水样（电阻率5kΩ）中，尽管绝对电流值降低，但算法仍保持稳定性能。连续传代实验显示信号差异小于10%，证实了长期监测的可靠性。

这项发表于《Nature Communications》的研究突破了传统生物传感器单参数检测的限制，通过巧妙的通路设计和信号处理算法，首次在单细胞层面实现重金属污染的多通道数字化输出。其重要意义在于：1）为复杂环境中的实时监测提供便携式解决方案；2）建立的氧化还原电位编码策略可拓展至其他EET通路；3）模块化设计支持检测目标的灵活替换。未来通过整合翻译后调控系统，有望进一步缩短目前30-50小时的响应时间，推动生物电子传感技术的实际应用。