The Innovation Life | 利用细菌生物传感器检测食品中的过氧化氢残留

导 读

过氧化氢（双氧水，H₂O₂）在食品工业中被广泛用于漂白、杀菌和除臭，其检测对食品安全具有重要意义。本研究将启动子PahpC与报告基因LuxCDABE融合，构建了一个过氧化氢生物传感器KT2440 [pPahpC]。该生物传感器具有高特异性，可用于牛奶样品或固体食品样本（如鸡爪）中H₂O₂的检测，为食品工业中过氧化氢的检测提供了一种新的策略。

图1 图文摘要

Pseudomonas putida KT2440（恶臭假单胞菌KT2440，以下简称KT2440）是一株常见的环境细菌，具有生长快，适应性强等特点。根据已有报道，野生型假单胞菌KT2440中的启动子PahpC、PkatA、PkatG可能被氧化应激激活。因此，本研究利用假单胞菌无启动子载体pCM-lux与上述三种启动子分别构建生物传感质粒并导入到恶臭假单胞菌中获得生物传感器KT2440 [pPkatA]，KT2440 [pPkatG]和KT2440 [pPahpC]。

通过观察三种传感器对于不同浓度的过氧化氢溶液的反应发现KT2440 [pPkatA]和KT2440 [pPahpC]可对不同浓度的过氧化氢产生不同的生物发光强度。然而，KT2440 [pPkatG]对过氧化氢则没有反应。后续分析发现KT2440 [pPahpC]比KT2440 [pPkatA]更稳定。因此，本研究重点对KT2440 [pPahpC]进行了后续分析。KT2440 [pPahpC]的生物发光信号在2 h时达到峰值，并在此时间点建立了过氧化氢浓度及相对发光强度的关系。KT2440 [pPahpC]对过氧化氢的响应范围为10~2000 µM。

图2 过氧化氢生物传感器构建原理图

传统方法对过氧化氢的检测大多是利用了其氧化性，因此可能会受到其他潜在氧化剂的影响。本研究利用常见的氧化剂KMnO₄、Ca(ClO)₂和还原剂硫脲来测试它们对KT2440 [pPahpC]可能产生的干扰。结果发现，生物传感器KT2440 [pPahpC]对KMnO₄、Ca(ClO)₂或还原剂硫脲均没有反应。这些数据表明，生物传感器KT2440 [pPahpC]对过氧化氢具有高特异性。

本研究还以中国传统食品泡椒凤爪为例，探讨了H₂O₂生物传感器在固体食物中的应用。在泡椒凤爪的生产过程中常常会添加H₂O₂。当经过H₂O₂处理的鸡爪样品中加入KT2440 [pPahpC]生物传感器时，在暗室中会逐渐发光变亮，而未经H₂O₂处理的鸡爪则不会发光。图3D显示传感器菌液遇到含有双氧水的样本时产生发光信号，表明KT2440 [pPahpC]能有效识别固体食物中的H₂O₂。

图3 检测固体样本中的双氧水残留

为了确定生物传感器KT2440 [pPahpC]能否检测饮品中的H₂O₂，本研究在水（图4A）、牛奶（图4B）、酸奶（图4C）和可口可乐（图4D）中分别测试了该生物传感器对添加的H₂O₂的响应。生物传感器在水，牛奶和可乐中均表现出良好的检测性能。有趣的是，不透明的牛奶样品并没有影响H₂O₂的传感器发光检测，当生物传感器加入牛奶样品后，其对H₂O₂也表现出很强的响应性。然而在添加H₂O₂的酸奶中却没有观察到发光信号。可能的原因有三：1）酸性环境杀死了传感器菌株；2）酸奶中大量的活菌抑制了传感器菌株的活性；3）酸奶中的活菌对过氧化氢的降解速度较快。

图4 生物传感器可以检测液体中的双氧水残留

总结与展望

本研究将发光基因簇LuxCDABE与假单胞菌KT2440中氧化应激相关基因的启动子融合，构建了过氧化氢生物传感器。该生物传感器具有高特异性，不但可以检测非透明液体（牛奶等）样本中的过氧化氢，而且能实现固体食品样本H₂O₂残留的可视化检测。

责任编辑

方华攀   厦门大学

屈   哲   中国海洋大学

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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-life.2023.100011

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第1卷第1期以Article发表的“A whole-cell hydrogen peroxide biosensor and its application in visual food analysis” (投稿: 2023-03-23；接收: 2023-05-29；在线刊出: 2023-05-29)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2023.100011

引用格式：Gao Y., Wang Y., Ji M., et al. (2023). A whole-cell hydrogen peroxide biosensor and its application in visual food analysis. The Innovation Life 1(1), 100011.

作者简介

高义舟，现工作单位是中国科学院分子病毒与免疫重点实验室微生物致病及共生分子机理课题组，任副研究员。研究领域主要涉及肠道微生物、环境微生物、微生物代谢等。中国科学院青年创新促进会会员，曾主持国家自然科学基金青年项目，博士后科学基金面上项目等。

http://sourcedb.shanghaipasteur.cas.cn/zw/kydw/fyjy/202103/t20210312_5973810.html

王 允，副研究员，牛津大学高等研究院（苏州）（OSCAR）生物技术和单细胞生物学研究组联合首席科学家，分子诊断技术创新中心副主任，江苏省双创人才。2011年获得英国谢菲尔德大学博士学位。她的研究兴趣聚焦在分子诊断技术开发、生物传感器研究以及单细胞拉曼技术开发，并将其应用于医学诊断、药敏判读以及环境生物修复。

https://oscar.web.ox.ac.uk/huan-jing-yu-sheng-wu-ji-zhu

纪梦梦，牛津大学（苏州）高等研究院环境与生物技术组实验室技术员。主要从事环境生物技术、生物传感器开发与测试，以及单细胞基因组方法学的开发及应用等相关研究。

https://oscar.web.ox.ac.uk/huan-jing-yu-sheng-wu-ji-zhu

周宁一，上海交通大学特聘教授，生命科学技术学院微生物科学系系主任，微生物代谢国家重点实验室分子环境微生物研究组组长。中国科学院"百人计划"入选者，曾任中国科学院武汉病毒研究所研究员，中国科学院农业与环境微生物学重点实验室主任。目前担任中国微生物学会常务理事，中国微生物学会环境微生物学专业委员会主任委员，《微生物学通报》主编，Editor for Applied and Environmental Microbiology (AEM)。主要从事微生物降解有机污染物（包括药物与植物毒素）的生理、生化和分子生物学，以及合成生物学在污染物降解中的应用等方面的研究。获"国务院政府特殊津贴"。

https://life.sjtu.edu.cn/teacher/NingyiZhou

黄 巍，牛津大学工程系生物工程系教授。他于2002年获得博士学位。主要研究方向为合成生物学和单细胞生物技术。他开发了SimCells（简单细胞）作为合成生物学的新平台，可用于生物制造、疫苗和医学治疗。他还开发了用于医疗诊断和环境评估的各种生物传感器。他是利用拉曼光谱技术在单细胞水平上研究生理和代谢的先驱之一。发表了130篇期刊论文，16项专利。Environmental Microbiology和Microbial Biotechnology杂志副主编。

https://huanglab.web.ox.ac.uk/wei-huang

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