新型噬菌體誘導FRET傳感器：高效檢測大腸桿菌O157:H7
發布時間：2025-04-09 瀏覽次數：119
食品安全一直是全球關注的焦點，尤其是由食源性病原體引發的疾病，不僅對人類健康構成威脅，還給社會經濟帶來沉重負擔。其中，大腸桿菌O157:H7（E. coli O157:H7）因其能夠產生志賀毒素，引發嚴重的血性腹瀉、腎衰竭甚至死亡，成為食品安全領域的重要檢測目標。傳統的檢測方法如平板培養法操作繁瑣且耗時長，無法滿足快速檢測的需求。盡管聚合酶鏈反應（PCR）和等溫擴增技術在一定程度上提高了檢測效率，但仍需復雜的樣品前處理步驟。因此，開發一種快速、靈敏且操作簡便的檢測方法顯得尤為重要。
近日，來自中南林業科技大學的研究團隊在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上發表了一項突破性研究，提出了一種基于噬菌體M13誘導的“一對多”熒光共振能量轉移（FRET）傳感器，用于高效檢測大腸桿菌O157:H7。該傳感器不僅具有極高的靈敏度，檢測限低至6 CFU/mL，還在選擇性、檢測時間、準確性和存儲穩定性方面表現出色，為食品安全、環境監測和醫學診斷提供了強有力的工具。
FRET技術的優勢與挑戰
熒光共振能量轉移（FRET）是一種高效的檢測技術，能夠通過能量從供體熒光分子向受體熒光分子的轉移來實現精確的定量分析。FRET技術具有抗背景熒光干擾和環境干擾的能力，因此在復雜樣品中的應用前景廣闊。然而，傳統的FRET技術存在一個顯著的限制：每個識別事件只能觸發一次FRET（“一對一”信號模式），這限制了其在痕量目標檢測中的靈敏度。
為了克服這一限制，研究團隊提出了“一對多”信號放大策略。通過利用噬菌體M13的結構特性，研究團隊成功實現了單個識別事件觸發多次FRET，從而顯著提高了檢測靈敏度。
“一對多”FRET傳感器的構建與工作原理
研究團隊利用磁性微球（MBs）作為捕獲探針，將特異性識別大腸桿菌O157:H7的適配體固定在磁性微球表面，用于從食品樣品中分離目標細菌。隨后，功能化的噬菌體O157S-M13K07-SBP作為檢測探針，與目標細菌結合。由于P8蛋白的N端距離精確固定，鏈霉親和素標記的FRET供體（SA-QD460）和受體（SA-QD620）可以通過SBP與SA的結合固定在噬菌體表面，形成FRET探針。每個噬菌體表面可以發生約605次FRET事件，從而實現了信號放大。
圖1 A. M13噬菌體的結構。M13外表面黃色突出顯示的氨基酸殘基代表N端丙氨酸，鏈霉親和素結合肽（SBP）即插入此處。B.通過兩步定點誘變構建O157S-M13K07-SBP噬菌體載體。C. O157S-M13K07-SBP誘導并放大的用于高靈敏度檢測大腸桿菌O157:H7的FRET傳感器示意圖。
傳感器的性能評估
研究團隊對該傳感器的性能進行了全面評估。實驗結果表明，該傳感器在PBS、牛奶、豬肉和生菜樣品中對大腸桿菌O157:H7的檢測限分別為6 CFU/mL、15 CFU/mL、18 CFU/mL和17 CFU/mL，線性范圍從5.9×101到5.9×108 CFU/mL。此外，該傳感器在選擇性、準確性和存儲穩定性方面也表現出色。即使在儲存一個月后，FRET信號仍保持在80%以上，顯示出良好的長期穩定性。
圖2 A.噬菌體誘導的福斯特共振能量轉移（FRET）傳感器的選擇性。利用FRET探針（O157S-M13K07-QD460/620）中的QD620對熒光信號進行定量分析。大腸桿菌O157:H7（ATCC43888）的濃度為5.9×104 CFU/mL，其他細菌濃度為105 CFU/mL，牛血清白蛋白（BSA）濃度為0.1%，單價離子濃度為100 mM，二價離子濃度為20 mM。B. FRET探針O157S-M13K07–QD460/QD620的儲存穩定性。每個數據均為3個獨立樣本的平均值（n=3）。
實際應用與前景
為了驗證該傳感器的實際應用能力，研究團隊在牛奶、生菜、豬肉和湖水樣品中進行了加標回收實驗。結果顯示，回收率在82.3%至119.2%之間，相對標準偏差（RSD）在2.0%至9.2%之間，表明該傳感器在實際樣品中具有高準確性和重復性。
圖3 利用噬菌體誘導的FRET傳感器對大腸桿菌O157:H7進行定量檢測。圖中展示了在牛奶、豬肉和生菜中檢測濃度為5.9×（1、10、102、103、104、105、106、107、108）CFU/mL的大腸桿菌O157:H7時的熒光光譜（A、C、E）以及相應的FRET信號（E%）（B、D、F）。每個數據點均為3個獨立樣本的平均值（n=3）。誤差棒表示3次測量的標準差。
這項研究的成功不僅為大腸桿菌O157:H7的檢測提供了一種高效、靈敏的新方法，還為FRET傳感器的設計開辟了新的思路。通過修改P3蛋白上的識別肽，該平臺可以進一步應用于其他目標物的檢測，如其他病原菌、環境污染物或生物標志物。
結論
這項研究展示了噬菌體M13在FRET傳感器中的巨大潛力。通過“一對多”信號放大策略，研究團隊成功開發了一種高靈敏度、高選擇性的FRET傳感器，能夠快速、準確地檢測食品和環境樣品中的大腸桿菌O157:H7。這一技術的推廣應用將為食品安全和公共衛生領域帶來深遠影響，并為未來的生物傳感器設計提供新的方向。
隨著技術的不斷進步，我們有理由相信，基于噬菌體的FRET傳感器將在更多領域發揮重要作用，為人類健康和環境保護提供更加可靠的保障。
參考文獻：Meng M, Ma X, Yu L, et al. Phage-induced “one-to-many” FRET sensor for highly sensitive detection of Escherichia coli O157: H7[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2024, 264: 116661.
來源：微生物安全與健康網，作者~蔡偉程。
