合成生物學（synthetic biology）是一門利用工程學設計理念來構件具有不同功能生物體系的新興學科。近年來，合成生物學在生物能源、生物醫(yī)藥和生命合成等領域取得了長足發(fā)展和重要突破，其巨大的潛在價值使其成為各國政府爭相搶占的資助領域和各科研機構的研究熱點。

全細胞生物傳感器（whole-cell biosensor）是以細胞為主要感受元件，可用于檢測并報告某種特定物質、環(huán)境。與傳統的化學和電子檢測方法相比，它們體積小、易生產、價格低、可降解，因此在環(huán)境檢測和臨床診斷上有極高的應用價值。以細胞構建生物傳感器已有30多年的歷史，但是少有能進入傳感器市場。究其原因，可總結為以下三點：1）基因改造生物帶來的潛在生物安全問題；2）低效的傳感功能；3）缺乏低價易用的傳感平臺。

近日，英國愛丁堡大學王寶俊研究團隊（萬心怡為第一作者）在Nature Chemical Biology發(fā)表了題為Cascaded amplifying circuits enable ultrasensitive cellular sensors for toxic metals的文章，報道了一套針對全細胞生物傳感器的優(yōu)化方案（圖1），可通用于多種全細胞生物傳感器，并能大大提高其檢測靈敏度和信號輸出強度，從而優(yōu)化傳感功能來解決上述第二點問題。

圖1 全細胞傳感器的優(yōu)化方案（第一行）及傳感器陣列的構建（第二行）

全細胞生物傳感器由傳感模塊（sensing module）、信號處理模塊（computing module）和輸出/執(zhí)行模塊（output actuating module）構成。傳感模塊通常由信號受體蛋白（receptor）和相應的啟動子（promoter）組成。該優(yōu)化方案首先通過調節(jié)細胞內受體蛋白的密度來提高傳感器的靈敏度，其次通過串聯多極轉錄放大器（transcriptional amplifier）來促進輸出模塊的信號強度，最后結合轉錄調節(jié)（transcriptional regulation）和翻譯后調節(jié)（post-translational regulation）的方法來降低在無輸入信號時傳感器的信號輸出（basal expression/leakage），從而增加輸出信號的動態(tài)范圍（output dynamic range）。該優(yōu)化方案已被用于檢測砷和汞的微生物傳感器，并增加了其靈敏度高達5,000倍、信號輸出強度高達750倍，使其檢測限（limit of detection）大大低于砷和汞在飲用水中的安全指標。

此外，為了解決上述第三點問題，該研究利用上述優(yōu)化方案構建了多種具有不同檢測限的微生物傳感器，并通過排列這些傳感器開發(fā)了一種價格低廉且易用的微生物傳感器陣列（microbial sensor array）（圖1，2）。該傳感器陣列可提供類似于音量條的可視化信號輸出，并根據不同的信號輸入強度提供不同的信號輸出圖案。該傳感陣列還可與多種移動設備（比如USB顯微鏡和手機）結合來讀取輸出圖案。為了檢驗該傳感陣列，該研究利用5 – 6種砷離子微生物感受器構建了檢測砷離子的微生物傳感陣列，并用孟加拉國當地有砷污染的地下水試驗。結果顯示該砷離子傳感陣列可準確檢測飲用水中1.6 – 175.8 ppb （g/L）的砷離子（圖2d），達到并超出了WHO的安全檢測指標（10 ppb）。

圖2 基于微流體裝置和水凝膠體系的砷離子傳感器陣列。a，微流體裝置內的傳感器陣列設計，包含16行48列。b，基于微流體裝置的砷離子傳感器陣列對砷離子的檢測。左圖為Nikon顯微鏡拍攝圖片，中圖為USB顯微鏡拍攝圖片，右圖為移動手機拍攝圖片。比例尺，1 mm。c，水凝膠體系在384孔板內的傳感器陣列設計，包括8行24列。d，基于凝膠體系的砷離子傳感器陣列對砷離子的檢測。左圖為熒光測定結果，右圖為移動手機拍攝圖片。（比例尺：1 cm）

與傳統的以單一傳感器為基礎的傳感平臺相比，讀取多重傳感器所提供的信號輸出將更為便捷，并更容易被廣泛人群接受。不僅如此，該傳感器陣列利用水凝膠或微流體裝置限制了細胞的流動，從而能夠預防GMO傳播可能導致的生物安全問題。

本研究提供了一套完整的全細胞傳感器優(yōu)化方案，并構建了低價易用的砷離子傳感平臺。目前全世界有50多個國家、1.4億人口的飲用水中有超過10 ppb的砷污染，而孟加拉國每年有4.3 萬人死于砷中毒。研究者們希望該砷離子傳感平臺能夠可以為砷污染地區(qū)提供低價、便捷的砷污染檢測方法。此外，本研究的優(yōu)化方案與傳感平臺理念可被廣泛用于多種其他細胞體系甚至非細胞體系傳感器，希望其能被早日用于環(huán)境監(jiān)測和臨床診斷等實際應用中。