《食品科學(xué)》：河南工業(yè)大學(xué)翟丹丹副教授等：全細(xì)胞生物傳感器在食品安全檢測中的應(yīng)用

病原體、農(nóng)藥殘留和重金屬等食源性污染物不僅給消費(fèi)者帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險，也給食品生產(chǎn)商帶來經(jīng)濟(jì)損失，因此如何確保食品安全已成為一個亟需解決的全球性公共議題。傳統(tǒng)的污染物檢測方法，如高效液相色譜法（HPLC），雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但通常耗時較長，且需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和熟練的技術(shù)人員進(jìn)行操作，表1對不同類型污染物的現(xiàn)有檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。近年來，生物傳感器因響應(yīng)速度快、靈敏度高、專一性強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測等特點(diǎn)，已迅速發(fā)展成為一種頗具前景的檢測方法。生物傳感器是一種將生物識別元件與傳感器相結(jié)合的分析裝置，用于檢測特定的分析物，將生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電子信號，可直接對食品或加工環(huán)境中的污染物進(jìn)行快速有效的檢測。因其生物識別元件的差異，可分為酶傳感器、全細(xì)胞生物傳感器（WCBs）、核酸適配體傳感器、免疫傳感器等多種類型。與依靠酶或抗體的生物傳感器不同，WCBs使用活細(xì)胞作為生物識別元件，這些細(xì)胞可以是微生物細(xì)胞、植物細(xì)胞或哺乳動物細(xì)胞，它們會對污染物或環(huán)境刺激做出反應(yīng)，導(dǎo)致其代謝活動、基因表達(dá)或其他細(xì)胞功能產(chǎn)生可測量的變化。由于整個細(xì)胞都可用于識別和處理復(fù)雜的刺激物，因此還能實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)的同時檢測，這也使WCBs在食品安全檢測中備受關(guān)注，圖1展示了WCBs在食品檢測中的應(yīng)用流程。

WCBs在食品安全領(lǐng)域具有成本效益高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可適應(yīng)各種測試環(huán)境等優(yōu)勢。它們?yōu)槭称钒踩珯z測提供了一種實(shí)用而創(chuàng)新的方法，可實(shí)現(xiàn)快速篩查，而這對最大限度地降低整個供應(yīng)鏈的污染風(fēng)險至關(guān)重要。WCBs具備諸多優(yōu)勢的同時也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如如何保持細(xì)胞活力和穩(wěn)定性，這兩者是實(shí)現(xiàn)WCBs性能穩(wěn)定的重要前提。合成生物學(xué)、基因工程和微加工技術(shù)的進(jìn)步正在不斷提高生物傳感器的穩(wěn)定性和多功能性，并使其在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用越來越可靠。河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院的張含蕾、周俊俊、翟丹丹*等人重點(diǎn)分析WCBs在食品安全檢測領(lǐng)域的最新應(yīng)用，包括檢測重金屬、農(nóng)藥、獸藥、添加劑、病原體和毒素等有害污染物。通過綜述當(dāng)前的研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用，深入探討WCBs在食品安全方面的潛力和局限性。最后，展望未來研究的發(fā)展方向，強(qiáng)調(diào)其在新型材料開發(fā)、先進(jìn)集成技術(shù)應(yīng)用、智能傳感系統(tǒng)優(yōu)化和便攜性增強(qiáng)等方面的進(jìn)步，以期極大推動WCBs成為保障全球食品安全不可或缺的工具。

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WCBs在重金屬檢測中的應(yīng)用

重金屬作為普遍存在的環(huán)境污染物，對生態(tài)環(huán)境和人類健康都有深遠(yuǎn)的影響，例如，汞離子（Hg2＋）、鎘離子（Cd2＋）和鉛離子（Pb2＋）等重金屬離子即使在極低濃度下，長期暴露仍可能通過生物富集作用對人類健康造成嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)的重金屬檢測技術(shù)，如原子吸收光譜法、熒光光譜法、原子發(fā)射光譜法以及電感耦合等離子體質(zhì)譜法，因其高準(zhǔn)確性和靈敏度而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢測。然而，這些方法通常存在成本高昂、操作復(fù)雜以及對復(fù)雜儀器設(shè)備依賴性強(qiáng)等局限性，難以滿足現(xiàn)場快速檢測的實(shí)際需求。相比之下，WCBs是一種高效的替代方案，能夠提供一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又靈活多變的檢測方法，支持快速的現(xiàn)場分析。這類生物傳感器以細(xì)菌為活體指示劑，并利用合成生物學(xué)技術(shù)改造傳感與報告元件，使之能針對特定金屬離子產(chǎn)生可量化的信號。

重金屬WCBs的傳感主要基于其金屬響應(yīng)的基因元件，如汞反應(yīng)轉(zhuǎn)錄激活因子（MerR）系列調(diào)控蛋白，它們與細(xì)胞內(nèi)金屬離子結(jié)合，隨后激活下游基因的表達(dá)，最后，觸發(fā)表達(dá)報告蛋白。報告蛋白通常是熒光蛋白如綠色熒光蛋白（GFP）或黃色熒光蛋白，產(chǎn)生可測量的熒光信號，量化后反映重金屬的存在與濃度。表2總結(jié)了應(yīng)用于重金屬檢測的WCBs。例如，Yin Kun等利用銅綠假單胞菌的抗汞菌株設(shè)計(jì)了一種生物傳感器，通過在大腸桿菌外膜上加入表面展示系統(tǒng)，在誘導(dǎo)1 h后能夠檢測0.5～1 000 μmol/L的Hg2＋濃度，該生物傳感器可通過調(diào)節(jié)pH值進(jìn)行再生。為了提高檢測靈敏度，對該菌株的MerR蛋白進(jìn)行了定向進(jìn)化，產(chǎn)生了一種突變體m4-1，命名為m4-1傳感器，其靈敏度比野生型提高了115 倍，這種傳感器的檢測限為313 pg/L，與傳統(tǒng)的分析儀器相當(dāng)，而且還能檢測98 ng/L的甲基汞，鑒于甲基汞的毒性很高，而之前又缺乏有效的傳感器，因此這是一次重要的突破。為了支持野外現(xiàn)場應(yīng)用，m4-1傳感器通過串聯(lián)報告基因進(jìn)一步優(yōu)化，提高了信號強(qiáng)度，從而產(chǎn)生了可視汞WCBs，結(jié)合智能手機(jī)成像和圖像分析軟件，該生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對海鮮和土壤等實(shí)際樣品的精確定量，結(jié)果與原子熒光光譜法一致，這為環(huán)境汞監(jiān)測和風(fēng)險評估提供了一種簡化、便攜和高效的方法。

鎘即便在痕量水平也能對人體及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成顯著威脅，據(jù)此，世界衛(wèi)生組織已將其明確界定為重金屬污染物。針對鎘污染，Wei Yijun等開發(fā)了一種專門用于檢測鎘的高靈敏度生物傳感器，利用成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列/CRISPR相關(guān)蛋白9（CRISPR/Cas9）基因編輯技術(shù)構(gòu)建了一種生物傳感器K12-PMP-luxCDABE-ΔcysI，該傳感器將啟動子Pmer、調(diào)控基因merR（m）和熒光素酶基因整合到大腸桿菌染色體中，同時，通過敲除cysI抗鎘基因進(jìn)一步提高了對Cd2＋的檢測靈敏度。并在誘導(dǎo)15 min后達(dá)到最大熒光強(qiáng)度，而且誘導(dǎo)30 min和60 min后的熒光強(qiáng)度與誘導(dǎo)15 min后的熒光強(qiáng)度沒有顯著差異（P＞0.05），這表明15 min的誘導(dǎo)時間實(shí)際上足以獲得最大熒光輸出，線性范圍達(dá)到0.005～2 mg/L。此外，該傳感器表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，熒光輸出的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.19%～4.02%之間。

WCBs通常只能檢測一種或兩種重金屬，這限制了其在復(fù)雜的多金屬環(huán)境中的應(yīng)用。為了解決這一問題，Kim等改造了具有不同金屬傳感啟動子的大腸桿菌菌株，用于檢測銅、鎘和汞。通過使用熒光素酶和紅色熒光蛋白mCherry報告基因，這些菌株可產(chǎn)生針對銅、鎘、汞3 種金屬的發(fā)光和熒光信號，在金屬離子溶液中孵育3 h便可以產(chǎn)生熒光信號，靈敏度范圍為0.1～7.5 mg/L（取決于金屬類型）。還可以通過將WCBs與基因信號放大器耦合，從而提高其靈敏度和特異性，例如，加入T7-RNA聚合酶放大器可顯著提高熒光輸出，從而改善傳感器對鎘離子的響應(yīng)時間和檢測精度。這些改進(jìn)凸顯了WCBs用來檢測環(huán)境和食品樣本中重金屬的可行性及潛力。

MerR屬于金屬響應(yīng)型啟動子，能夠特異性結(jié)合Hg2＋，激活下游熒光蛋白（如GFP）的表達(dá)，其響應(yīng)直接且無需復(fù)雜信號轉(zhuǎn)換。基因元件簡單，易于構(gòu)建和集成到便攜設(shè)備中從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境水樣中Hg2＋的實(shí)時檢測；但是對其他重金屬（如Cd2＋、Pb2＋）交叉反應(yīng)性較高，而且信號輸出單一，依賴熒光信號難以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)檢測。CRISPR系統(tǒng)利用CRISPR-Cas蛋白（如Cas12a/Cas13）的附屬切割活性，通過核酸信號放大檢測重金屬。當(dāng)重金屬存在時，會通過轉(zhuǎn)錄因子或適配體激活特定的DNA/RNA序列，再觸發(fā)CRISPR切割報告基因。通過設(shè)計(jì)不同CRISPR RNA，可檢測多種重金屬污染，且抗干擾能力強(qiáng)、受環(huán)境雜質(zhì)影響較小；但是復(fù)雜性高、需多步反應(yīng)（如核酸提取、擴(kuò)增、CRISPR切割）、耗時較長、依賴酶和合成核酸試劑、不適合大規(guī)模現(xiàn)場部署。在后續(xù)的研究中，可以將MerR的快速響應(yīng)與CRISPR系統(tǒng)的信號放大結(jié)合，構(gòu)建“雙模式”傳感器，推動WCBs的實(shí)用化發(fā)展。總之，WCBs已成為檢測重金屬的強(qiáng)大工具，有可能取代或補(bǔ)充傳統(tǒng)的分析方法。它們的適應(yīng)性、成本效益和現(xiàn)場快速檢測能力使其成為環(huán)境和食品安全監(jiān)控領(lǐng)域的有效解決方案。基因工程、信號放大和多金屬檢測能力方面的持續(xù)創(chuàng)新可能會擴(kuò)大其適用范圍并提高其性能，從而實(shí)現(xiàn)在各種情況下進(jìn)行更全面的重金屬監(jiān)測和風(fēng)險評估。

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WCBs在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用

農(nóng)藥殘留是指施用農(nóng)藥一段時間后，在生物體、農(nóng)產(chǎn)品、土壤、水和大氣中持續(xù)存在的微量母體化合物、有毒代謝物、降解產(chǎn)物和雜質(zhì)。這些殘留物對食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，并可能嚴(yán)重影響人類健康。水果和蔬菜上的過量農(nóng)藥殘留會導(dǎo)致人體攝入時中毒，從而對生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，靈敏、精確地檢測農(nóng)藥殘留對確保食品質(zhì)量和安全至關(guān)重要。近年來，人們成功開發(fā)并應(yīng)用了多種WCBs快速檢測農(nóng)藥殘留。許多高選擇性、高靈敏度、快速和低成本的微生物生物傳感器，包括安培型、電位型和比色型已被構(gòu)建用于直接測量各種樣品中的各種農(nóng)藥。

有機(jī)磷（OP）是最常用的農(nóng)藥之一，Liang Bo等從鯉魚細(xì)胞中優(yōu)化合成了編碼乙酰膽堿酯酶的互補(bǔ)DNA（cDNA），并將其整合到釀酒酵母的表達(dá)載體pYD1中。利用乙酰膽堿酯酶對OP的高度特異性識別，開發(fā)了一種基于酵母的OP快速檢測生物傳感器，將重組菌株在37 ℃條件下與不同濃度的對硫磷作用15 min后，通過可見分光光度法直接測量乙酰膽堿酯酶的活性從而反應(yīng)污染物的濃度，對羥基對硫磷的檢測限為0.136 ng/mL，線性范圍為0.5 ng/mL～10 μg/mL。對硫磷的檢測限為3.72 ng/mL，線性范圍為5 ng/mL～10 μg/mL。Khatun等利用兩種大腸桿菌菌株開發(fā)了一種生物傳感器，每種菌株都含有不同的轉(zhuǎn)錄基因。這些菌株將OP水解為對硝基苯酚，隨后轉(zhuǎn)化為β-半乳糖苷酶進(jìn)行比色檢測，這種生物傳感器對乙基對硫磷的檢測限為1 nmol/L，靈敏度比單細(xì)胞生物傳感器高出近200 倍，而且在3.5 h內(nèi)便可以獲得檢測結(jié)果，是一種靈敏、便攜的農(nóng)藥檢測手段。

在另一項(xiàng)研究中，Riangrungroj等設(shè)計(jì)了一種基于凝集作用的全細(xì)胞大腸桿菌生物傳感器，用于檢測環(huán)境中的3-苯氧基苯甲酸（3-PBA），這是一種擬除蟲菊酯殺蟲劑標(biāo)記物。這種生物傳感器是將大腸桿菌細(xì)胞與誘導(dǎo)細(xì)胞凝集的蛋白共軛物混合。游離的3-PBA與抗原共軛物競爭，阻止細(xì)胞交聯(lián)，形成可見的細(xì)胞沉淀，這種方法與競爭性酶聯(lián)免疫吸附法相似，可在30 min內(nèi)直接目視檢測結(jié)果，檢測限為3 ng/mL。這種生物傳感器能夠檢測各種基質(zhì)（包括血液、尿液和水）中的3-PBA，而且裂解后的穩(wěn)定期長達(dá)90 d，非常適合資源有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。McDonald等開發(fā)了一種基于瓜萎鐮刀菌的WCBs，其中包含ChpR轉(zhuǎn)錄因子以及其同源啟動子PchpA。這種生物傳感器能對毒死蜱的主要降解產(chǎn)物3,5,6-三氯-2-吡啶醇產(chǎn)生特異性熒光反應(yīng)。該生物傳感器可在4 h內(nèi)檢測到低至390 nmol/L的3,5,6-三氯-2-吡啶醇濃度，在7 h內(nèi)檢測到低至50 μmol/L的毒死蜱濃度，符合GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求（30 μg/L）。總之，用于檢測農(nóng)藥的WCBs的開發(fā)正朝著提高目標(biāo)分析物特異性和靈敏度的方向發(fā)展，表3重點(diǎn)介紹了WCBs在農(nóng)藥殘留檢測方面的最新應(yīng)用。

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WCBs在獸藥殘留檢測中的應(yīng)用

合成獸藥被廣泛用于預(yù)防細(xì)菌感染和治療動物疾病，然而這些藥物的殘留物及其代謝物會在動物組織中累積，甚至?xí)ㄟ^生物濃縮增強(qiáng)毒性，最終對人類健康造成威脅。鑒于目前抗生素污染的普遍性和相關(guān)風(fēng)險，迫切需要建立快速有效的抗生素檢測方法。WCBs作為一種創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)、便攜的生物識別系統(tǒng)，含有能對信號分子濃度變化做出特異性反應(yīng)的基因元件，使其適用于各種復(fù)雜環(huán)境。值得注意的是，微生物可逐漸適應(yīng)抗生素，在長期暴露過程中會對抗生素產(chǎn)生抗性。微生物降解抗生素是一個多方面的過程，涉及微生物合成直接或間接改變抗生素結(jié)構(gòu)的酶，從而使其在降解過程中失活，產(chǎn)生可檢測的信號，這些信號可作為判斷抗生素存在的新指標(biāo)。

Ma Zhao等利用Whatman濾紙作為低成本便攜式基質(zhì)，開發(fā)了一種基于紙條的大腸桿菌生物傳感器。這種生物傳感器通過紙條上的顏色強(qiáng)度變化檢測四環(huán)素和土霉素，在水中的檢測限為5.23～17.1 μg/L，在土壤中的檢測限為5.21～35.3 μg/kg，線性范圍分別為75～10 000、75～7 500 μg/L。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)高延政教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的大腸桿菌菌株DH5α/pMTGFP和DH5α/pMTmCherry能夠?qū)λ沫h(huán)素濃度變化做出響應(yīng)。通過測量熒光強(qiáng)度或酶活性，可以量化四環(huán)素類抗生素的濃度，檢測限分別為7.58～10.2 μg/L和5.32～7.85 μg/L，線性范圍分別為75～2 500、75～7 500 μg/L。這種生物傳感器有望成為土壤和水樣中快速、高通量定量檢測四環(huán)素類抗生素的工具。

在檢測動物源食品中的抗生素殘留方面，Liu Yang’er等報道了一種基于合成生物學(xué)的增強(qiáng)型i/cTetR比率測定型試紙條，這種WCBs利用雙色信號報告檢測食品中的四環(huán)素類抗生素。i/cTetR比率測定型試紙條可對牛奶樣品進(jìn)行定量和定性分析，45 min內(nèi)即可達(dá)到歐盟規(guī)定的牛奶最低檢測限（50～3 200 μg/kg），具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、操作簡便等特點(diǎn)，適合無需大型設(shè)備的現(xiàn)場檢測。Lu Meiyi等開發(fā)了一種集成智能手機(jī)的WCBs Lumi Cell Sense，其全脂牛奶中環(huán)丙沙星的檢測限為7.2 ng/mL，低于歐盟允許的最高限值。氨基糖苷類抗生素殘留現(xiàn)象普遍存在于食品和環(huán)境中，其累積會對生態(tài)和健康造成嚴(yán)重危害。Wang Zhenzhen等構(gòu)建了妥布霉素濃度依賴性全細(xì)胞微生物傳感器（tob-HHAz），可將妥布霉素的濃度轉(zhuǎn)化為可見熒光。在牛奶樣品中，該傳感器的線性范圍為0～1 000 nmol/L，檢測限為40 nmol/L，低于歐盟規(guī)定的牛奶最大殘留限量。總之，開發(fā)檢測獸藥殘留的WCBs取得一定進(jìn)展，其特異性和適用性也在不斷提高。表4概述了近期WCBs在獸藥殘留檢測中的應(yīng)用。

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WCBs在食品添加劑檢測中的應(yīng)用

食品添加劑被廣泛用于食品工業(yè)，以延長保質(zhì)期、提高感官質(zhì)量和支持工業(yè)生產(chǎn)。雖然食品添加劑旨在提供感官享受和商業(yè)便利，但也帶來了一些問題，如濫用、過量使用等。研發(fā)高效且靈敏的食品添加劑檢測技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

亞硝酸鹽是肉類產(chǎn)品中常用的食品添加劑，常用于著色和抗菌，其會在腸道微生物群中轉(zhuǎn)化為具有遺傳毒性的亞硝胺。然而，目前的方法缺乏原位檢測亞硝胺的能力。針對這一空白，Wang Huaisong等用pMAG1-eGFP和pPHR1-eGFP質(zhì)粒改造了一種酵母菌株。這種工程酵母能對亞硝胺引發(fā)的DNA損傷作出反應(yīng)，激活基于pMAG1的DNA損傷修復(fù)途徑，已被開發(fā)成WCBs，表達(dá)eGFP作為報告物，以監(jiān)測原位產(chǎn)生的亞硝胺。為了確保WCBs在胃酸環(huán)境中的存活率，合成了一種與Fe3＋和2,2-硫代乙酸配位的金屬有機(jī)凝膠，并將其加入WCBs中。結(jié)果表明，該金屬有機(jī)凝膠能抵抗胃酸促進(jìn)pMAG1酵母菌向腸道的運(yùn)輸，同時保持其原位檢測亞硝胺的能力，可以準(zhǔn)確檢測亞硝胺在小鼠腸道中的含量。

具有特定功能的細(xì)菌生物膜可進(jìn)一步提高生物傳感器檢測亞硝酸鹽的特異性，Wang Jingting等利用電活性亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（硝化細(xì)菌）開發(fā)了一種創(chuàng)新的全細(xì)胞電化學(xué)生物傳感器，具有反應(yīng)快、靈敏度高、檢測范圍廣和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。這種生物傳感器利用循環(huán)伏安法，可在3 min內(nèi)精確檢測0.3～100 mg/L范圍內(nèi)的亞硝酸鹽。

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WCBs在食源性病原體和毒素檢測中的應(yīng)用

食源性病原體利用食物基質(zhì)作為侵入人體宿主細(xì)胞的主要途徑，導(dǎo)致腹瀉、嘔吐和全身感染等食物中毒癥狀。近年來，涉及食源性病原體的事件頻頻發(fā)生，凸顯了開發(fā)食品中病原體檢測技術(shù)的迫切性，表5總結(jié)了WCBs在獸藥殘留檢測中的應(yīng)用。大腸桿菌O157:H7主要寄居在反芻動物體內(nèi)，經(jīng)常污染牛肉和牛奶等食品，并可能在加工過程中傳播給人類、動物飼料和水源。由于其傳播途徑廣泛，它已成為全球最普遍的食源性病原體之一。因此，監(jiān)測食品中的大腸桿菌O157:H7對于確保食品安全和阻斷傳播途徑至關(guān)重要。Zhou Yuqing等利用菌體EP01對大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07的高特異性，開發(fā)出一種以菌體EP01為識別劑的全細(xì)胞電化學(xué)生物傳感器，用于檢測大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07。該生物傳感器的線性檢測范圍為102～107 CFU/mL，檢測限為11.8 CFU/mL，總處理時間小于30 min。它已成功應(yīng)用于定量檢測鮮奶和生豬肉中的GXEC-N07，為檢測大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07提供了一種快速、特異、經(jīng)濟(jì)、無標(biāo)簽的工具，有望在保障食品安全和公眾健康方面發(fā)揮重要作用。

食品中的霉菌污染會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失、食品質(zhì)量下降和霉菌毒素的產(chǎn)生，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)確、非破壞性的監(jiān)測。曲霉菌污染在小麥?zhǔn)斋@后儲存和運(yùn)輸過程中持續(xù)存在，產(chǎn)生有害毒素，如黃曲霉菌產(chǎn)生的黃曲霉毒素是一種已知的糧油致癌物。最近，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所糧油減損與霉菌毒素防控創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)引入了WCBs陣列與機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合的方法監(jiān)測霉菌污染。這種方法為預(yù)測貯藏花生和玉米粒中的早期黃曲霉毒素污染提供了一種途徑。在這項(xiàng)研究中，通過氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)鑒定了黃曲霉霉變前期花生中3 種標(biāo)志性有機(jī)揮發(fā)物丙酸乙酯、甲基吡咯和2,3-丁二醇，測定了14 種大腸桿菌應(yīng)激響應(yīng)啟動子對這3 種標(biāo)志性有機(jī)揮發(fā)物和另外3 種黃曲霉霉變相關(guān)揮發(fā)物的顯著差異響應(yīng)模式。在此基礎(chǔ)上，通過海藻酸鈣微球包埋技術(shù)構(gòu)建了融合14 種應(yīng)激響應(yīng)啟動子和發(fā)光細(xì)菌熒光素酶基因的WCBs陣列。當(dāng)與優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)模型搭配使用時，該生物傳感器在花生和玉米明顯變質(zhì)前2 d的預(yù)測準(zhǔn)確率分別高達(dá)95%和98%。此外，它還能以100%的準(zhǔn)確率區(qū)分變質(zhì)和健康樣品。這些研究結(jié)果表明，這種WCBs陣列為谷物霉菌污染的早期檢測提供了一種高度準(zhǔn)確、非破壞性的方法。

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技術(shù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向

WCBs憑借其高靈敏度、可再生性和特異性，在食品安全檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，其實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化進(jìn)程仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)涉及細(xì)胞穩(wěn)定性、信號處理、檢測性能以及規(guī)模化生產(chǎn)等多個關(guān)鍵層面。例如，細(xì)胞在復(fù)雜的環(huán)境條件（如極端pH值、高溫以及有毒物質(zhì)的存在）中容易失活或死亡，從而導(dǎo)致傳感器的使用壽命較短；低濃度目標(biāo)物難以觸發(fā)可檢測的信號，使得動態(tài)檢測范圍相對較窄；此外，信號輸出形式較為單一，光學(xué)信號（如熒光）易受背景干擾，而電化學(xué)信號則需要復(fù)雜的電路支持，且難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)時檢測。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，未來的研究方向應(yīng)聚焦于通過合成生物學(xué)手段設(shè)計(jì)高靈敏度且穩(wěn)定的全細(xì)胞系統(tǒng)，利用納米材料放大檢測信號以及保護(hù)細(xì)胞，并通過與人工智能技術(shù)的跨學(xué)科合作，推動WCBs在靈敏度、特異性、穩(wěn)定性和實(shí)用性方面的突破，最終實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化與普適性應(yīng)用。圖2概述了WCBs的未來發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)。

6.1 WCBs中的合成生物學(xué)技術(shù)

在WCBs中，各種生物識別分子都經(jīng)過了人工修飾，以提高特異性、穩(wěn)定性和靈敏度。基于合成生物學(xué)的WCBs為現(xiàn)場檢測食品污染物提供了一種新方法，WCBs的基本組成部分包括傳感元件，如轉(zhuǎn)錄因子和核糖開關(guān)，以及報告元件，如熒光素酶、熒光蛋白等。傳感和報告元件通過基因表達(dá)調(diào)控耦合，形成用于檢測目標(biāo)物質(zhì)的簡單基因回路。Chen Shengyan等對大腸桿菌K-12調(diào)控亞硝酸鹽的啟動子進(jìn)行了修飾，通過平衡ArsR結(jié)合位點(diǎn)（ABS）數(shù)量與啟動子活性之間的關(guān)系并調(diào)節(jié)輔助ABS的位置，從而提高WCBs的信噪比。當(dāng)用1 μmol/L亞砷酸鹽誘導(dǎo)時，獲得的啟動子變體ParsD-ABS-8的誘導(dǎo)比為179（比野生型啟動子增加了11 倍）。修飾后的WCBs在0.1～4 μmol/L（決定系數(shù)R2＝0.992 8）的砷濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的劑量響應(yīng)，檢出限為10 nmol/L。He Nisha等通過啟動子工程、受體蛋白定向進(jìn)化和宿主代謝工程3階段優(yōu)化，構(gòu)建了基于NahR-Psal/Pr的全細(xì)胞水楊酸（SA）生物傳感器（MUT3rd）。優(yōu)化后的傳感器靈敏度和最大輸出分別提高了17.2 倍和9.4 倍，檢測限從80 μmol/L到0.1 μmol/L，提高了800 倍。

合成生物學(xué)可以根據(jù)特定規(guī)則連接基因片段，從而使細(xì)胞表達(dá)出人類需要的信號或產(chǎn)物。因此可以為WCBs提供新的功能組件、遺傳模塊（邏輯門模塊、內(nèi)存模塊、信號放大模塊）和組裝理論，從而使得WCBs可以識別更多的污染物，找到更方便的信號報告形式，并實(shí)現(xiàn)更智能的檢測過程。

6.2 利用納米技術(shù)增強(qiáng)WCBs的性能

納米材料在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用為傳感器的性能帶來了革命性的提升，然而，由于兼容性問題會影響生物傳感器的效率，因此將納米粒子與微生物系統(tǒng)集成面臨挑戰(zhàn)。納米材料由于其高比表面積和尺寸效應(yīng)，可以提高環(huán)境監(jiān)測的靈敏度和選擇性。這意味著納米材料可以更有效地檢測低濃度污染物，并區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的污染物。金屬納米顆粒的功能化、分子印跡聚合物和其他納米復(fù)合材料進(jìn)一步提高了傳感器的選擇性和靈敏度，已被用于定量檢測實(shí)驗(yàn)室樣本中的砷、汞、鉛、鎘、鉻和其他有毒重金屬。目前，基于碳納米管、石墨烯、介孔碳和碳點(diǎn)的電化學(xué)傳感器正迅速成為傳統(tǒng)技術(shù)的超靈敏替代品，用于現(xiàn)場篩查食品和環(huán)境中的重金屬污染，提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。而WCBs檢測的樣品通常具有污染性，例如土壤中的抗生素、污水中的重金屬離子等，這些都會影響細(xì)胞的活性和檢測準(zhǔn)確性。將納米殼涂覆在細(xì)胞的外面可以為WCBs提供保護(hù)，以抵御這些有害因素。Jiang Nan等通過將單個酵母細(xì)胞暴露于金納米顆粒和L-半胱氨酸的懸浮液中，在其表面制造了柔軟的生物雜交界面層，以形成一個保護(hù)功能層，并將該功能層與多孔二氧化硅層結(jié)合，形成直徑為3.9 nm的孔。雙層納米殼內(nèi)的酵母細(xì)胞在高溫（40 ℃）、溶菌酶和紫外線照射下連續(xù)進(jìn)行5 次循環(huán)后，仍保持了較高的存活率（（96±2）%）。而且，由于納米殼中儲存著營養(yǎng)物質(zhì)，因此封裝在雙層納米殼中的酵母細(xì)胞比原生細(xì)胞更容易回收。Li Chen等報道了用共價有機(jī)框架（COF）為活細(xì)胞構(gòu)建納米殼以起到保護(hù)作用，COF納米殼確保了細(xì)胞對營養(yǎng)的吸收，同時阻擋大的有害分子和紫外線輻射，從而保持細(xì)胞活力和代謝活性。

此外，與基于基因工程的方法不同，保護(hù)性納米殼產(chǎn)生的細(xì)胞抗性不會橫向傳播，因此，不會出現(xiàn)超級耐藥細(xì)菌的問題。然而，部分納米材料可能會對細(xì)胞活性產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在納米材料的選擇上，應(yīng)優(yōu)先考慮生物相容性良好的材料，比如聚多巴胺，已被證明對微生物有著良好的生物相容性。納米材料通過信號增強(qiáng)、細(xì)胞保護(hù)等策略，顯著提升了傳感器的性能，其與合成生物學(xué)、人工智能等技術(shù)交叉融合，將進(jìn)一步推動食品安全檢測領(lǐng)域的發(fā)展。

6.3 智能手機(jī)以及人工智能相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

智能手機(jī)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展帶來了更強(qiáng)的通信、數(shù)據(jù)處理和硬件能力，極大地滿足了人們對小型化便攜式生物分析和生物診斷工具日益增長的需求。因此，在過去10 年間，基于智能手機(jī)的傳感應(yīng)用得到了顯著的發(fā)展與擴(kuò)展。Lu Meiyi等構(gòu)建了一種基于智能手機(jī)的集成式WCBs（LCS），它包含一個帶有透氧涂層的16 孔生物芯片，在該芯片中以大腸桿菌作為生物報告細(xì)胞。當(dāng)目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)存在時，生物報告細(xì)胞發(fā)光并由手機(jī)的攝像頭成像，隨后使用專用的手機(jī)應(yīng)用程序LCS-Logger計(jì)算光子發(fā)射強(qiáng)度并將其實(shí)時繪制在設(shè)備的屏幕上。當(dāng)光照強(qiáng)度增加到基線以上時會自動發(fā)出警報，表示存在目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了便攜和即時檢測。通過檢測全脂牛奶中抗生素環(huán)丙沙星的殘留證明該系統(tǒng)的有效性，檢測閾值為7.2 ng/mL，此值低于歐盟規(guī)定的允許最大值。He Nisha等將優(yōu)化后的WCBs與智能手機(jī)成像技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了化妝品中SA的快速、可視化檢測。將含有優(yōu)化生物傳感器的明膠基水凝膠嵌入到載玻片上的膠帶穿孔中，構(gòu)建了便攜式SA傳感裝置，然后，通過定制的智能手機(jī)應(yīng)用程序測量每個穿孔的熒光強(qiáng)度并自動計(jì)算相應(yīng)的SA濃度，可以很好地測定0.1～10 μmol/L范圍內(nèi)的SA。與傳統(tǒng)傳感器相比，基于微型傳感裝置的傳感器不僅具備體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低等顯著優(yōu)勢，還易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、集成化以及智能化操作，這些特性使其能夠有效推動WCBs的商業(yè)化進(jìn)程。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個分支，其核心是讓計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)自動學(xué)習(xí)規(guī)律和模式，從而完成特定任務(wù)，而無需依賴明確的編程指令。簡單來說，機(jī)器學(xué)習(xí)是通過“從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)”從而改進(jìn)自身性能的技術(shù)，目前已經(jīng)有機(jī)器學(xué)習(xí)在食品污染物檢測中的報道。Ma Junning等提出了一種基于WCBs陣列結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測模型的新方法，用于監(jiān)測食品中霉菌污染的早期階段。通過比較隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高維判別分析、稀疏偏最小二乘判別分析以及遞歸特征消除幾種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林模型表現(xiàn)最優(yōu)，在區(qū)分健康與感染樣本時表現(xiàn)出最高的準(zhǔn)確性（100%），并在區(qū)分預(yù)霉階段時達(dá)到95%（花生）和98%（玉米）的準(zhǔn)確率。Li Qianqian等構(gòu)建了WCBs陣列，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法用于快速識別小麥的霉菌污染。通過偏最小二乘判別分析的線性機(jī)器學(xué)習(xí)算法、反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘支持向量機(jī)的非線性算法建立霉菌污染判別模型，結(jié)果表明，WCBs結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)非線性算法可用于小麥霉菌的檢測和預(yù)警，準(zhǔn)確率可以達(dá)到97.24%。上述結(jié)果證明，基于WCBs陣列與機(jī)器學(xué)習(xí)分類器耦合方法具有高精度和實(shí)用性，為食品安全檢測提供了一種新的有效策略。

07

結(jié) 語

WCBs在食品安全領(lǐng)域已取得長足的進(jìn)步，本文重點(diǎn)介紹了WCBs在食品安全領(lǐng)域的最新應(yīng)用，特別是在檢測重金屬、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、食源性病原體和毒素方面的應(yīng)用。隨著WCBs領(lǐng)域的持續(xù)拓展，該技術(shù)展現(xiàn)出應(yīng)對實(shí)際挑戰(zhàn)的巨大潛力，將在未來研究與開發(fā)中發(fā)揮重要作用。總之，通過多學(xué)科合作有望生產(chǎn)出低成本、反應(yīng)靈敏和生態(tài)友好型WCBs，為食品安全做出貢獻(xiàn)。

引文格式：

張含蕾, 周俊俊, 劉冰冰, 等. 全細(xì)胞生物傳感器在食品安全檢測中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2025, 46(16): 411-421. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250126-199.

ZHANG Hanlei, ZHOU Junjun, LIU Bingbing, et al. Application of whole cell biosensors in food safety detection[J]. Food Science, 2025, 46(16): 411-421. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250126-199.

實(shí)習(xí)編輯：李雄；責(zé)任編輯：張睿梅。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)

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