沿M13骨架自组装的Au@AgNR：一种用于细菌检测和杀灭的SERS纳米载体

背景：

最近，在M13噬菌体上运行的基于病毒的新型平台在治疗和传感方面显示出有前途的应用。M13噬菌体是一种一维丝状病毒，包含五种可转基因衣壳（pIII、pVI、pVII、pVIII和pIX，用于展示外源性蛋白质和肽。在这些衣壳中，pIII和pVIII衣壳分别被称为次要衣壳和主要衣壳。噬菌体两端的旋钮状pIII蛋白负责与大肠杆菌的F-菌毛进行天然亲和结合，大肠杆菌是宿主细胞的主要受体。在这方面，M13可以作为天然存在的大肠杆菌生物识别元件的理想候选者。作为传统的生物识别元件，适配体、抗体和肽对靶细菌具有高度特异性，在高温、高盐浓度、酸性pH值、离液剂和长时间储存条件下易受损伤。然而，M13在上述恶劣条件下是稳定的。此外，M13具有低成本和高产量的特点，易于在宿主细菌中制备和纯化。pVIII衣壳具有α螺旋结构，与理想状态存在一些偏差，相对于噬菌体颗粒的主轴倾斜约20°，pVIII的N端存在于噬菌体的外部，可以很容易地进行化学修饰，使其成为化学或基因改造的理想候选者。由于其靶点特异性和物理性质，M13的高度有序丝状衣壳可以选择作为开发人工生物传感器平台。

方法：该传感器以M13噬菌体为纳米载体，可应用于细菌的检测和原位消除，CTPEG的羧基通过EDC/NHS化学与衣壳pVIII的N端偶联，形成CTPEG修饰的CTPEG-M13。CTPEG-M13中暴露的硫醇基团作为DTTC修Au@AgNRs的锚定位点，导致M13-Au@AgNR@DTTC生物复合材料（M13噬菌体基SERS纳米载体）的形成。该平台能够在一定浓度范围内检测目标细菌，这也在真实样品中得到应用。

Fig. 1: Isolation and characterization of strictly lytic E. coli, Enterococcus spp. and Klebsiella spp. phage scaffolds. Scheme 1. Schematic of (A) fabrication of M13 phage-based SERS sensor, in which DTTC decorated Au@AgNRs assembled along the M13 capsid through a linker CTPEG. (B) M13-SERS probes were incubated with E. coli to obtain the E. coli configuration for bacterial detection.

结果：将感染细菌的感染琼脂糖培养基置于 PBS、M13、Au@AgNR和M13-Au@AgNR生物复合物中，并使用标准板计数法进行评估。如图所示图5A，M13-Au@AgNR生物复合物显著降低了菌落形成单元。统计结果如图5D中，M13-Au@AgNR生物复合材料对大肠杆菌的杀菌率为90%，远高于M13（p<0.0001）和Au@AgNR（p<0.05）。抑菌效应可以通过主成分分析（PCA）进一步揭示。图5 PCA分别代表了4种不同处理的E和12次扫描，其中4个不同色点分别代表PBS（红色）、M13（黄色）、Au@AgNR（蓝色）和M13-Au@AgNR生物复合（浅蓝色）处理组的细菌光谱，根据峰位置和相对峰强度。

Fig. 5. Antibacterial performance of PBS (i), M13 (ii), Au@AgNR (iii), and M13-Au@AgNR bio-composite (iv). (A) Images of bacterial colonies on the LB plates subjected to PBS, M13, Au@AgNR, and M13-Au@AgNR bio-composite. (B) Dual-color fluorescent images of E. coli treated with the four treatment groups. Cells were stained with SYTO 9 (green) and propidium iodide (PI; red). (C) Corresponding SEM images of E. coli treated with the four treatment groups; red arrows denote bacterial damages and ruptures. (D) The statistical results of antibacterial ability in Fig5A.

结论：本研究提出了一种新型的基于M13噬菌体的SERS纳米载体，用于检测真实样品（自来水、牛奶和全血）中的大肠杆菌。传感场景依赖于M13与靶向大肠杆菌的自然亲和结合，以及M13的支架来组装DTTC装饰Au@AgNRs。这种组合使基于M13噬菌体的探针能够保持稳定的SERS强度，RSD低至5.7%。探索基于M13噬菌体的SERS纳米载体进行体外细菌检测，达到0.5 CFU/mL的LOD。此外，该平台对大肠杆菌表现出非凡的抗菌活性，高达90%。综上所述，利用Au@AgNR沿M13骨架自组装获得新型SERS纳米载体，可用于细菌检测和杀灭，在细菌感染的早期诊断和控制中显示出巨大的潜力。

参考来源： Bi L, Zhang H, Hu W, et al. Self-assembly of Au@ AgNR along M13 framework: A SERS nanocarrier for bacterial detection and killing[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 237: 115519.