对活大肠杆菌O157:H7具有高特异性的便携式ATP生物发光传感器通过定向噬菌体修饰的搅拌棒提取和生物增殖协同增强

背景：

使用生物受体作为鉴定组分是生物测定中常见且有用的策略。就细菌生物受体而言，噬菌体是一种侵入细菌的病毒，由于其在菌株水平上具有严格的宿主特异性，被认为是理想的识别成分。与其他鉴定成分（如抗体和适配体）相比，噬菌体不仅可以区分不同种类的细菌，还可以区分不同的菌株。此外，噬菌体还表现出更好的捕获效率和稳定性。Cheng等人表明，抗体在室温下捕获大肠杆菌需要1小时，而噬菌体只需5分钟即可完成该过程。所有这些研究表明，噬菌体是一种理想的生物受体，可以快速识别和捕获复杂基质中的不同细菌菌株。

另一个需要解决的重要问题是真实样品中的细菌含量低。搅拌棒吸收萃取（SBSE）是一种简单有效的预浓缩方法，特别是在食品样品中。我们小组开发了许多SBSE方法，这些方法与适配体相结合，用于在检测前选择性和有效地富集抗生素或细菌。在这种情况下，可以合理地推测噬菌体辅助的SBSE可以富集复杂样品中的痕量细菌。重要的是，噬菌体具有特定的头尾结构，细菌仅与尾纤维结合，而不是与头部结合。除了预浓缩外，活细菌还因其生物活性而在适当的环境中增殖。在孔板计数法中得到广泛证实和应用。将两种方法和谐地结合在一起，构建一个简单的信号双放大策略，将大大提高检测灵敏度。

方法：聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）用于改性带正电荷的搅拌棒。然后，基于静电引力固定带负电荷的噬菌体头部，同时使噬菌体的尾部纤维能够面对溶液。因此，噬菌体在搅拌棒上的定向固定是为了特异性和有效地捕获目标细菌菌株。在典型的SBSE工艺之后，将含有捕获的大肠杆菌O157：H7的搅拌棒在Luria-Bertani（LB）培养基中孵育以进行生物增殖，以进一步提高细菌浓度。最后，通过便携式ATP生物发光传感器检测活的大肠杆菌O157：H7浓度。

结果：通过检测不同浓度的大肠杆菌O157：H7，分析了所提生物测定法的检测能力。不同浓度下细菌的生物增殖速率不同。在较高浓度下，细菌的增殖数量应比在较低浓度下大得多。我们计算了至10²-10⁷ CFU/mL之间的宽浓度下的生物增殖速率常数（k）。生物增殖速率常数（k）为0.703（R²= 0.997），满足一阶动力学。图4B表示在10²-10⁷ CFU/mL大肠杆菌的生物发光强度（BL）。线性回归方程可以拟合为LogBL = 0.706LogC + 0.886 （R²= 0.997），检测下限（LOD）为30 CFU/mL。这表明该检测表现出良好的检测效果。

图4.（A）标准现场检测程序的照片;（B）朝向大肠杆菌O157：H7的测定线。误差线表示标准差。

结论：通过带正电荷的PDDA作为粘合剂，制备了定向固定大肠杆菌O157：H7噬菌体的金搅拌棒。它在菌株水平上实现了对细菌的识别。基于噬菌体搅拌棒，开发了一种高效的SBSE预处理方法，仅需5 min即可提取大肠杆菌，实现了食品样品中大肠杆菌O157：H7的快速特异性分离。此外，LB还用于增殖在搅拌棒上捕获的细菌。然后使用便携式ATP生物发光传感器来量化活细菌。根据该测定，针对活大肠杆菌 O157：H7 菌株的检测信号可以扩增36倍，LOD为30 CFU/mL。结果表明，目前的方法可用于活大肠杆菌O157：H7菌株的即时检测。

参考来源：Cao C, Wang M, Zhang D, et al. Portable ATP bioluminescence sensor with high specificity for live Escherichia coli O157: H7 strain synergistically enhanced by orientated phage-modified stir bar extraction and bio-proliferation[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 220: 114852.