一种基于表层蛋白编码基因保守序列检测产毒和非产毒艰难梭菌的超灵敏基因传感器

C. difficile是一种重要的肠道病原体，常导致抗生素相关性腹泻和伪膜性结肠炎。其致病性主要归因于毒素A和毒素B的分泌，但并非所有C. difficile菌株都产毒。此外，C. difficile还通过其他毒力因子如表面层蛋白（SlpA）引发感染。传统检测方法如毒素培养、细胞培养中和试验和PCR等存在成本高、耗时长或操作复杂等缺点。因此，开发一种快速、灵敏且操作简便的检测方法对于C. difficile的及时诊断和有效治疗至关重要。

本研究设计了一种基于表面层蛋白（SlpA）编码基因保守序列的超灵敏电化学基因传感器，用于检测C. difficile的产毒性和非产毒性菌株。该传感器的核心在于利用玻璃碳电极（GCE）作为工作电极，并通过在其表面修饰金纳米颗粒-还原氧化石墨烯（GNP-rGO）纳米复合材料来增强电化学性能。SlpA蛋白在C. difficile的所有菌株中高度保守，其编码基因中包含一个独特的寡肽序列（AKDGSTKEDQLVDALA），被选为设计捕获探针的靶标。捕获探针被固定在GNP-rGO修饰的电极表面，用于特异性捕获待测样本C. difficile中的slpA基因片段。当目标基因片段与捕获探针结合后，通过差分脉冲伏安法（DPV）测量电极表面的电流变化，实现对C. difficile的检测。传感器采用金纳米颗粒-还原氧化石墨烯纳米复合材料修饰电极，无需扩增即可直接检测slpA基因，检测限低至0.2 fM，且对合成的 slpA靶基因及不同菌株基因组表现出高特异性和灵敏度。

基因传感器同以前报道的基于DNA的C. difficile检测方法相比，展现出了多方面的优势。首先，在检测灵敏度上，该基因传感器通过引入金纳米颗粒-还原氧化石墨烯纳米复合材料，显著增强了电化学信号，使得其能够检测到更低浓度的目标基因片段，从而提高了检测灵敏度。而传统的DNA检测方法（如PCR和LAMP等），虽然也能达到较高的灵敏度，但往往需要复杂的基因扩增步骤，操作繁琐且耗时较长。其次，在特异性方面，该基因传感器利用slpA基因中的保守序列设计捕获探针，能够特异性地识别并检测C. difficile的所有菌株，包括毒力型和非毒力型。这种设计使得基因传感器在区分C. difficile和其他肠道细菌方面表现出良好的特异性。而传统的DNA检测方法可能受到其他肠道细菌DNA的干扰，导致假阳性结果的出现。此外，该基因传感器还具有无需基因扩增、操作简便、检测时间短等显著优势。相比之下，传统的DNA检测方法在操作复杂性和检测时间上均存在一定的局限性。

基因传感器在检测C. difficile的未来前景广阔。随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，其高灵敏度、特异性和快速检测特性将在临床诊断和治疗中发挥越来越重要的作用。此外，随着标准化的推进和技术的普及，基因传感器有望在更广泛的医疗领域得到应用，为感染性疾病的防控提供有力支持。

原文doi：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.126014