《Scientific Reports》：An engineered M13 phage–rGO electrochemical biosensor for rapid detection of viral protein in complex matrices
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本刊推荐：面对复杂样品环境下快速、规模化生物传感技术的迫切需求，研究人员开展了一项关于工程化M13噬菌体-还原氧化石墨烯(rGO)电化学生物传感器的主题研究。该传感器利用展示SARS-CoV-2刺突S1蛋白结合肽的M13噬菌体作为生物识别元件，基于固定低电压偏压下的化学电阻检测机制，实现了在缓冲液及胎牛血清、巴氏奶、废水等复杂加标基质中对S1蛋白的快速电学检测，其缓冲液中的操作检测限为10-4pg/mL。研究意义在于验证了工程化噬菌体-石墨烯界面作为适应性生物识别元件用于复杂环境快速蛋白质传感的潜力。
在当今全球公共卫生领域，对病原体的快速、准确检测是控制疫情蔓延的关键。传统的检测方法，如基于抗体的酶联免疫吸附试验(ELISA)或聚合酶链式反应(PCR)，虽然成熟可靠，但在面对复杂多变的实际样品（如环境水样、食品或临床体液）时，常常面临抗体生产耗时耗力、成本高昂、稳定性受环境因素影响以及检测流程复杂、需要专业人员和设备等挑战。特别是在资源有限或现场快速筛查的场景下，开发一种既灵敏特异、又能耐受复杂基质干扰、且便于规模化生产的检测平台，成为了一个亟待解决的难题。这促使科学家们将目光投向新型的生物识别元件和传感材料。
正是在这样的背景下，一项发表在《Scientific Reports》上的研究应运而生。为了应对复杂样本环境中对快速、可扩展生物传感技术的需求，研究人员独辟蹊径，将合成生物学与纳米材料学交叉融合，开发了一种全新的电化学生物传感器。他们不再依赖传统的抗体，而是巧妙地改造了自然界中一种常见的病毒——M13噬菌体。这种噬菌体被工程化，使其表面展示出能够特异性结合新冠病毒(SARS-CoV-2)刺突蛋白S1亚基的肽段。同时，他们选用还原氧化石墨烯(rGO)这种具有优异电学性能的纳米材料作为传感器的信号转换器（换能器）。当目标蛋白S1与噬菌体上的肽段结合时，会引起传感器表面电荷分布或导电性的微小变化，这种变化在固定的低电压下可以被迅速测量，从而实现信号的“电学读出”。这项研究的核心，就是验证这种“工程化噬菌体+rGO”的强强联合，能否在实际应用中扛起快速、灵敏检测的重担。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几个关键技术方法：1. 噬菌体展示技术：用于工程化改造M13噬菌体，使其表面展示特定的SARS-CoV-2 S1蛋白结合肽。2. 传感器制备与功能化：将还原氧化石墨烯(rGO)固定在电极上作为换能器，并将工程化的M13噬菌体通过共价键合的方式固定在rGO表面，构建生物识别界面。3. 电化学检测与表征：采用基于化学电阻（电阻随化学环境变化）的检测机制，在固定低电压偏压下，通过测量电阻/电导的变化来检测目标蛋白结合事件。4. 复杂基质测试：使用加标样本，在缓冲液以及胎牛血清、巴氏消毒牛奶和废水等实际复杂基质中评估传感器的性能。5. 数据分析：采用统计学定义的二元检测标准来评估传感器响应，并确定其操作检测限。
研究结果
传感器构建与表征：研究人员成功制备了以rGO为导电基底、表面固定了展示S1结合肽的工程化M13噬菌体的生物传感器。表征结果证实了噬菌体在rGO表面的成功固定化，并形成了可用于特异性生物识别的活性界面。
在缓冲液中的分析性能：传感器对纯缓冲液中的SARS-CoV-2 S1蛋白表现出了极高的灵敏度。通过设定的统计学检测标准，确定其操作检测限低至10-4pg/mL，这是一个非常优异的检测水平。传感器的响应与目标蛋白浓度在一定范围内相关，证实了其定量检测的潜力。
在复杂基质中的检测能力：为了模拟真实检测环境，研究将传感器应用于加标的复杂样本中，包括胎牛血清、巴氏消毒牛奶和废水。实验结果表明，传感器在这些基质中依然能够有效检测出S1蛋白，证明了其良好的基质耐受性和在实际样品中应用的可行性。
与抗体传感器的比较：作为性能参照，研究将本噬菌体传感器与先前报道的、使用相同rGO平台但功能化有传统抗体的传感器进行了比较。结果显示，基于噬菌体的传感器在灵敏度上与传统抗体传感器相当，同时在遗传可调性和生产可扩展性方面展现出潜在优势。
结论与讨论
本研究成功开发并验证了一种基于工程化M13噬菌体和还原氧化石墨烯(rGO)的新型电化学生物传感器，用于快速检测SARS-CoV-2刺突S1蛋白。该传感器采用化学电阻检测机制，实现了在固定低电压下的快速电学信号读出。核心结论是，该传感器不仅在缓冲液中表现出极高的灵敏度（操作检测限达10-4pg/mL），更重要的是，它能够在胎牛血清、牛奶和废水等多种复杂基质中有效工作，显示出强大的抗干扰能力和实际应用潜力。
讨论部分强调了此项研究的创新意义。首先，它提供了一种“无抗体”的生物传感新策略。通过噬菌体展示技术获得的结合肽，作为抗体的替代品，具有生产成本低、稳定性高、易于通过基因工程进行修饰和优化等优点。其次，将这种工程化生物元件与高性能纳米材料rGO相结合，构建了稳定、高效的传感界面。与传统的抗体传感器相比，这种平台在保持高灵敏度的同时，在遗传可调性（便于快速适配新出现的病原体靶点）和生产可扩展性（噬菌体可通过细菌发酵大规模生产）方面更具优势。尽管当前研究还处于使用加标样本的概念验证阶段，但它有力地证明了工程化噬菌体-石墨烯界面作为一种适应性广、性能强劲的生物识别元件，在复杂环境快速蛋白质传感领域的巨大应用前景，为未来开发新一代现场快速诊断(POCT)设备或环境监测工具奠定了重要的技术基础。
