基于转录因子的生物传感器，用于芳香族污染物高效检测

环境中芳香族污染物对人身安全及环境等都造成严重危害，而常规探测方式存在探测效率低、作业安全性差、易受干扰等瓶颈问题。因此，基于生物传感的芳香族污染物探测技术的发展具有重要战略和环保意义。芳香族污染物分子可以分解为多种化合物，其挥发后的主要蒸气成分包括2,4-二硝基甲苯（2,4-DNT）和1,3-二硝基苯（1,3-DNB）。因此，结合1,3-DNB和2,4-DNT检测的生物传感器可以更准确、更高效地应用于芳香族污染物的探测。

然而，目前以1,3-DNB为响应物的生物传感器的研究报道却很少。基于此，杨建明教授团队研究开发了一套安全高效检测1,3-DNB的生物传感系统。相关研究成果以“A transcription factor-based bacterial biosensor system and its application for on-site detection of explosives”为题发表在生物传感研究领域权威期刊Biosensors and Bioelectronics上，青岛农业大学王兆宝副教授和硕士研究生马冉为该论文的并列第一作者，梁波副教授和杨建明教授为通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。

研究发现，恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）中的调控蛋白MexT能够通过与其下游基因启动子区结合实现对下游基因PP_2827转录的正向调控，且1,3-DNB能够增强这一调控，揭示了1,3-DNB参与MexT调控基因转录的机制，MexT调控蛋白也因此被确定为1,3-DNB生物传感器的基本传感元件。基于以上原理，通过对MexT基因和启动子不同组合的优化，研究人员开发了基于MexT的1,3-DNB生物传感器，优化后的生物传感器在液相1,3-DNB 的检测灵敏度达到0.1 µg/mL，且具备优异的检测特异性和稳定性。

在以上研究成果的基础上，研究人员将该生物传感器与团队自行开发的探测装置集成，开发了一套名为“中国地眼（CEE）”的芳香族污染物分子生物传感系统，以模拟芳香族污染物的现场探测。该系统对沙土中1,3-DNB的检测灵敏度为0.5 mg/kg土壤，实现了现场大面积检测和土壤掩埋1,3-DNB的准确定位。

用于1,3-DNB检测的中国地眼（CEE）传感系统

同时，杨建明教授团队在可视化生物检测领域亦取得重要进展，相关研究成果以“Development of lycopene-based whole-cell biosensors for the visual detection of trace explosives and heavy metals”为题发表在分析化学研究领域Top期刊Analytica Chimica Acta上，青岛农业大学李美洁副教授和硕士研究生吕书喆为该论文并列第一作者，杨建明教授为通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。

该研究以感应2,4-DNT的启动子（例如yqjF启动子）作为感应元件，以GFP基因或者自发光基因作为报告元件，构建了检测2,4-DNT的生物传感器。但是，已报道的生物传感器在野外进行芳香族污染物探测时，需使用仪器进行特定波长的紫外激发，以及荧光信号的收集，这使得它们在真正的雷区中难以应用。因此，杨建明教授团队提出了一种可视化检测芳香族污染物的创新思路。

研究人员以合成番茄红素的基因crtEBI作为报告元件，以DNT响应启动子yqjF为感应元件，构建了可视化生物传感器。未感应DNT时，crtEBI基因不表达，不合成番茄红素，菌液呈浅黄色。感应DNT时，启动crtEBI基因的表达，产番茄红素，菌液成红色。此外，该研究通过过表达MVA途径，提高了番茄红素合成的代谢通量，从而增强了生物传感器的输出信号；另外，研究人员引入终止子降低了背景干扰信号。优化后的可视化微生物传感器LSZ05可以感应1 mg/L的DNT。对该生物传感器进行表征的结果证明了在不同环境因素下的DNT特异性、鲁棒性和稳定性。该研究为可视化探测环境中埋藏的芳香族污染物分子奠定了坚实基础。

上述研究工作得到国防科技创新特区重点探索项目、青岛农业大学高层次人才引进项目、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目、山东大学开放课题等项目的资助。