[发明专利]高灵敏检测重金属汞的生物传感器细胞及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于环境生物技术领域，特别涉及高灵敏检测环境中溶液样品中重金属汞的生物传感器细胞及其制造方法。 

背景技术

汞(Hg)是主要的有害金属污染物，可以在常见的工业和/或农业废物中发现(Zhang和Wong，2007)。自然界中很难发现纯的液态金属汞，更多的是以化合物和无机盐的形态出现。汞可以单价汞或二价汞的形式和其它化合物结合(也可分别表示为Hg(I)和Hg(II)或Hg²⁺)。被排放出的汞的化学形态(或类型形成)随着来源类型和其他因素而不同。由于不同类型的汞有不同的毒性，因此对人类健康和其他生物有机体环境的影响也不同。汞可以在不同的形态间转换，在循环时形成各种形态，对人类和环境造成毒害。 

当汞与碳结合时就形成有机汞化合物或有机金属汞。在环境中最常见的有机汞化合物是甲基汞。通常认为它在环境中的形成主要是由于微生物等作用的生物过程。由于汞各种形态的转换，人为排放就导致环境中甲基汞的形成。目前在许多可食的淡水鱼、海水鱼及海洋哺乳动物中，甲基汞能够增至周围水体中含量的几千倍(生物累积及生物放大作用)，它已经受到得到了人们严重的关注。 

准确检测和监控环境中，特别是水域中汞存在和污染直接影响到人们的日常生产和生活。多年的研究开发产生了各种检测汞的常规技术手段及装置，并且具有很好的灵敏性，如原子吸收光谱法(0.02ppb)，原子力光谱法(0.001ppt)，原子发射光谱法(0.01ppt)和电感耦合等离子体质谱法(0.08ppt)，但是这些检测手段和装置的使用具有极大的局限性和花费昂，同时需要培训专业人员来操作相关仪器设备(Knecht和Sethi，2009)。更为重要的是这些常规的检测方法不能测定污染金属的生物可利用浓度(Bioavailable concentration)，就是环境中污染金属总数中活的生物体可以利用的数量。这就需要在结合传统物理和化学检测方法的同时，要利用生物检测方法。基 于这个原因，近年来开发生物传感器检测汞及其他金属的污染越来越受到人们的极度重视。 

生物传感器是一种分析检测装置，通常由一个固定化的生物材料紧密地与一个与之兼容的传感器所组成，能把生物信号转换为易于量化的电信号。生物材料负责专一性地识别待分析物并产生生物信号，而理化传感器则感应和扩增生化信号并输出相应的可测电信号(Scheller等，1991)。生物传感器不仅可以有效地测量包括汞在内的多种金属污染物，而且基于生物学基础它们也是可测量的各种有毒物质的理想选择。此外，易于复制和相对低的成本是生物传感器具有较大的竞争力。 

全细胞生物传感器是以完整活细胞作为生物材料来专一性识别待分析物并产生相应的生物信号(Heim等，1999)。全细胞的生物传感器具有比传统的分析方法和其他生物传感器，如蛋白质、酶活多糖传感器有许多优点：1)细胞，尤其是微生物细胞总是比纯化的蛋白质或酶等更便宜，并且生物分子在细胞环境中有更好的活性。2)细胞中特定代谢途径的使用可以使待测化合物或污染物，尤其是芳香族化合物和重金属，有更好地被选择性识别。3)全细胞传感器具有更好的稳定性，可以使用相对长的时间。4)全细胞系统更易实现高通量的自动化操作。5)只有全细胞生物传感器可以实现生态毒性试验和污染物的环境监测。 

全细胞生物传感器可分为两大类，一类是基于组成型表达，另一类是基于诱导表达的。组成型表达系统通常利用在细胞正常生长条件下具有高活性的启动子，从而是报告基因能有较高的基础表达水平。而在有害或有毒的条件下，这个基础表达水平就下降，表达水平的下降是与待测样品的毒性相关。因此组成型表达系统的生物传感器提供了单个细胞或培养物代谢状态的“大画面”，任何降低细胞生长或导致细胞毒害的与对照组相比都会降低报告基因的信号量。而诱导表达系统中报告基因与诱导型启动子相融合，诱导型启动子可响应特定的胁迫(如热激，氧化性损伤，DNA损伤等)或化合物(有机污染物和重金属)。通过测定报告基因的表达水平来反应诱导物的数量水平。诱导系统的关键优点是专一性响应诱导物(代测分析物)，允许定量检测单一的待测物。 

随着越来越多的响应特定胁迫或化合物的基因被定位和克隆，人们就可能克隆出这些基因的启动子并把它们与许多报告基因相融合。另外，因为这些启动子的独特专一性，无数启动子和报告基因的组合被用于检测广泛的诱导物(待测分析物)。专一性的启动子和报告基因的融合可以克隆在质粒上，也可插入到某些细菌的基因组中。这个新的重组生物传感器是通常被称为基因工程菌(GEM)的生物传感器细 胞。