近日，南京農業大學資源與環境科學學院汪鵬教授課題組開發了一種稻米iAs檢測新方法，利用天然微生物傳感器E. coliAW3110 （pBB-ArarsR-mCherry） 結合淀粉酶水解提取砷形態，實現稻米中iAs的高通量和定量檢測。本研究將該生物傳感器制成了操作便捷的試劑盒，包括酶標板、α淀粉酶，以及生物傳感器細菌凍干粉。生物傳感器被制成凍干粉可以提高該方法的使用范圍、延長保質期、簡化操作步驟和縮短測試時間。用該試劑盒在12 h內能檢測超過200個稻米樣品，而常規方法HPLC-ICP-MS在同樣的時間內僅能測定40個樣品。
稻米是無機砷（iAs）的主要膳食來源，iAs是一種劇毒砷，會在稻米中積累，對以稻米為食的人群構成巨大健康風險。然而，目前可用于稻米iAs檢測的方法比較少，迫切需要開發一種簡單、經濟、準確和高通量的稻米無機砷檢測方法。
該生物傳感器的傳感系統來源于天然細菌砷抗性操縱子。微生物自誕生以來就一直生活在含砷環境中，并進化出了砷抗性ars操縱子，參與不同的砷解毒途徑，比如ArsB為細胞As（III）外排蛋白，ArsC為As（V）還原酶，ArsM為As（III）S-腺苷甲硫氨酸甲基轉移酶，ArsK為MAs（III）外排蛋白，ArsH為MAs（III）氧化蛋白。在沒有As的情況下，ArsR蛋白與啟動子上游的DNA結合區ABS結合，阻止ars操縱子轉錄。然而，在As存在的情況下，As（III）與ArsR蛋白結合，誘導其構象變化，從而降低ArsR蛋白對ABS的親和力，ars操縱子的表達被激活。在本研究中，將mCherry基因連接到帶有啟動子的arsR基因（來源于對As（III）高靈敏的土壤細菌Arsenicibacter roseniiSM-1的ars操縱子）下游，并導入E. coliAW3110，mCherry基因的表達水平受ars操縱子的活性控制，與iAs濃度成正比，從而實現砷濃度信號到紅色熒光蛋白mCherry的轉換。該生物傳感器對砷表現出高度特異性，只響應無機砷，不響應有機砷，并通過調節檢測體系中PO43-濃度來區分亞砷酸鹽[As（III）]和砷酸鹽[As（V）]。
用該試劑盒測定了19個總砷濃度不同的稻米樣品的iAs濃度，表現出出色的重現性和高信噪比，檢測限低至16 μg kg-1[As（III）]和29 μg kg-1[As（V）]，這些值遠遠低于歐盟制定的嬰兒稻米的最大允許水平（100 μg kg-1）。這種簡單的生物傳感器試劑盒為檢測食品樣品中的iAs提供了一種很有前景的工具。
相關研究成果在國際權威期刊Analytical Chemistry上發表了題為Natural microbial reactor-based sensing platform for highly sensitive detection of inorganic arsenic in rice grains（2023）的論文，其中，博士生葛占標為論文第一作者，汪鵬教授為通訊作者，前沿交叉研究院陳明明副教授以及資環院黃科副教授、謝婉瀅副教授和趙方杰教授也參與該研究工作。該研究得到了國家重點研發計劃項目和江蘇省重點研發計劃項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c01857
日期：2023-10-08
稻米是無機砷（iAs）的主要膳食來源，iAs是一種劇毒砷，會在稻米中積累，對以稻米為食的人群構成巨大健康風險。然而，目前可用于稻米iAs檢測的方法比較少，迫切需要開發一種簡單、經濟、準確和高通量的稻米無機砷檢測方法。
該生物傳感器的傳感系統來源于天然細菌砷抗性操縱子。微生物自誕生以來就一直生活在含砷環境中，并進化出了砷抗性ars操縱子，參與不同的砷解毒途徑，比如ArsB為細胞As（III）外排蛋白，ArsC為As（V）還原酶，ArsM為As（III）S-腺苷甲硫氨酸甲基轉移酶，ArsK為MAs（III）外排蛋白，ArsH為MAs（III）氧化蛋白。在沒有As的情況下，ArsR蛋白與啟動子上游的DNA結合區ABS結合，阻止ars操縱子轉錄。然而，在As存在的情況下，As（III）與ArsR蛋白結合，誘導其構象變化，從而降低ArsR蛋白對ABS的親和力，ars操縱子的表達被激活。在本研究中，將mCherry基因連接到帶有啟動子的arsR基因（來源于對As（III）高靈敏的土壤細菌Arsenicibacter roseniiSM-1的ars操縱子）下游，并導入E. coliAW3110，mCherry基因的表達水平受ars操縱子的活性控制，與iAs濃度成正比，從而實現砷濃度信號到紅色熒光蛋白mCherry的轉換。該生物傳感器對砷表現出高度特異性，只響應無機砷，不響應有機砷，并通過調節檢測體系中PO43-濃度來區分亞砷酸鹽[As（III）]和砷酸鹽[As（V）]。
用該試劑盒測定了19個總砷濃度不同的稻米樣品的iAs濃度，表現出出色的重現性和高信噪比，檢測限低至16 μg kg-1[As（III）]和29 μg kg-1[As（V）]，這些值遠遠低于歐盟制定的嬰兒稻米的最大允許水平（100 μg kg-1）。這種簡單的生物傳感器試劑盒為檢測食品樣品中的iAs提供了一種很有前景的工具。
相關研究成果在國際權威期刊Analytical Chemistry上發表了題為Natural microbial reactor-based sensing platform for highly sensitive detection of inorganic arsenic in rice grains（2023）的論文，其中，博士生葛占標為論文第一作者，汪鵬教授為通訊作者，前沿交叉研究院陳明明副教授以及資環院黃科副教授、謝婉瀅副教授和趙方杰教授也參與該研究工作。該研究得到了國家重點研發計劃項目和江蘇省重點研發計劃項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c01857
日期：2023-10-08
