[发明专利]一种用于金属离子检测的核酸蛋白复合型微生物全细胞传感器构建及阈值调控技术

说明书

本发明涉及分子生物学技术及基因工程领域，公布了一种阈值可调的用于重金属检测的微生物传感器设计方法。该方法以MerR家族的重金属感应蛋白为感受重金属浓度的元件，通过改变重金属感应蛋白在微生物传感器细胞内的表达水平，调控该传感器对重金属检测的阈值。在此类传感器中，检测的阈值与传感器细胞内重金属感应蛋白的表达水平呈现二次抛物线相关性。通过改变重金属感应蛋白的基因启动子，可以实现对重金属细胞传感器阈值的靶向设计。

技术领域

本发明涉及分子生物学技术领域，特别一种利用感应蛋白启动子的序列编辑来调控重金属检测微生物传感器设计方法。

背景技术

重金属主要包括铅(Pb)、镉(Cd)、锌(Zn)、铜(Cu)、汞(Hg)、铬(Cr)和镍(Ni)等密度大于5g/cm³的金属。砷(As)(类金属)因为相似的化学特性和环境行为，也被归为重金属。由于自然和人为的原因(工业扩张、煤矿开采和污水排放等)，重金属广泛地存在于环境中，如水、土壤和大气。这一类金属具有显著的生物毒性，大多数无法被微生物代谢或者被化学降解，所以会在生态系统中长期存在。重金属的积累不仅破坏生态系统，甚至会通过食物链对人体造成损伤。

生长在重金属污染条件下的植物，生理和生物化学的过程都会受到金属的影响，从而导致新陈代谢改变、生长缓慢、生物产量降低等，并且体内有金属积累。重金属不仅影响植物的产量和品质，也会通过食物链进入动物和人体内。人类通过两种途径摄入重金属：1.直接使用被环境污染的水或者食物；2.通过食物链的生物富集间接摄入。重金属的急性和慢性毒性会破坏神经系统、心血管系统、呼吸系统、胃肠道系统、肝脏系统、肾脏系统、造血系统、免疫系统和皮肤系统，从而对人体造成损伤。

目前，重金属的检测方法主要分为传统检测和快速检测两类。传统检测方法包括原子吸收光谱法、原子荧光光度法、电感耦合等离子体法和液相色谱等；快速检测方法包括酶分析法、免疫检测技术和生物传感器等。传统的重金属检测方法虽然接受度高，但往往需要大型仪器和专业技术人员的支持，而快速检测方法虽然便携、快速，但在稳定性和重复性上差强人意。因此，研究人员需要优化出简便、经济、快速、灵敏的重金属检测方法，可以适用于条件有限的现场检测。

生物传感器是一种将生物分子或生物体作为识别材料与报告元件结合，用来检测各种物理、化学和生物物理信号的新型装置。这一类装置通过将生物感应元件与转换器结合，使生物响应转化为可测量的信号。重金属微生物传感器是以微生物为检测装置，响应样品中的重金属离子并转化为光学或电学信号，进行定性或定量检测。为实现微生物的检测功能，需要构建一个由识别元件和报告元件两部分构成的基因回路。识别元件是利用了微生物体内自然存在的重金属抵抗机制，报告元件一般是常见的荧光基因或电化学信号等。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于重金属离子检测的微生物全细胞传感器的构建及阈值调控技术。

本发明提供了一种利用感应蛋白启动子的序列编辑来调控重金属检测微生物传感器的靶向设计方法。

本发明提供了所述的传感器检测重金属的靶向设计方法，以MerR家族的重金属感应蛋白为感受重金属浓度的元件，通过改变重金属感应蛋白在微生物传感器细胞内的表达水平，调控该传感器对重金属检测的阈值。

在本发明的一些具体实施方案中，对于所述MerR家族的重金属感应蛋白，首先设计至少5种组成型启动子，分别作为重金属感应蛋白的启动子进行传感器构建，分别测定其对重金属检测的阈值。

在本发明的一些具体实施方案中，以二次抛物线函数拟合启动子强度与重金属检测阈值之间的关系。

在本发明的一些具体实施方案中，通过启动子强度与重金属检测阈值之间的二次抛物线函数计算特定阈值的重金属传感器所需的组成型启动子强度。该技术核心内容有以下三点：

首先，依赖于MerR家族重金属感应蛋白的生物传感器，其灵敏度和阈值与传感器细胞内重金属感应蛋白的表达水平具有相关性。