基于纳米粒子簇催化信号放大的单核增生李斯特菌快速检测

原创

来源：魏文杰

2024-09-20 10:43:56

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核心提示：本文基于Fe3O4 NP的催化性能和万古霉素对单核增生李斯特菌细胞壁的亲和力，构建了一种基于纳米探针的生物传感器。

食源性病原体，如细菌、病毒或寄生虫，通过食物链进入人体，对人类健康构成重大威胁。这些病原体可以导致从轻微肠胃不适到严重疾病甚至死亡的多种健康问题。其中，单核增生李斯特菌(L. monocytogenes)是一种重要的食源性致病菌，常见于乳制品、肉类和海鲜等食品中，对人类具有高度致病性。因此，快速、准确、方便地检测食品中的单核增生李斯特菌对于保障食品安全至关重要。

传统的食源性致病菌检测方法，如培养法、分子生物学方法等，虽然准确，但通常耗时较长、操作复杂且成本较高，难以满足快速检测的需求。特别是在现场检测或紧急情况下，需要一种更为简便、快捷的检测手段。为了解决上述问题，作者提出了一种基于纳米粒子簇催化信号放大的生物传感器，用于食源性致病菌（特别是单核增生李斯特菌）的视觉检测。该方法结合了纳米技术和分子生物学技术，旨在实现高灵敏度、直观且省力的检测。

纳米探针的设计原理

Fe₃O₄ NPC的制备（如图1）：通过将Fe₃O₄纳米粒子（NP）与聚L-赖氨酸单体交联，形成纳米粒子簇（NPC）。这种结构不仅增加了表面积，还由于粒子间的协同效应增强了整体的催化活性，这对于后续的比色反应至关重要。如图1

适配体的引入：适配体是通过SELEX（指数富集的配体系统进化）技术筛选出的单链DNA或RNA分子，它们能高特异性地结合目标分子。在本例中，适配体被设计为能特异性识别单核增生李斯特菌表面的A蛋白或其他特定标志物，从而实现靶标细菌的选择性捕获。

万古霉素的亲和力：万古霉素作为一种强效的抗生素，对革兰氏阳性菌的细胞壁具有强大的亲和力。尽管在本设计中它可能不直接参与信号转导，但理解其与目标细菌的结合机制有助于设计更稳定的捕获系统或作为验证工具。

检测机制

特异性识别与捕获：当NPC-适配体复合物遇到含有A蛋白的单核增生李斯特菌时，适配体会特异性地结合到细菌表面，将NPC带到细菌附近。

催化反应与信号放大：由于NPC的高催化活性，它们能催化特定的底物（如过氧化氢与显色剂）反应生成有色产物。随着细菌数量的增加，NPC的局部浓度也增加，从而放大了比色信号，提高了检测的灵敏度。

可视化检测：反应产生的颜色变化可以通过肉眼直接观察或使用简单的光学仪器进行定量分析，无需复杂设备，便于现场快速检测。

作者选择万古霉素(Van)作为捕获单核增生李斯特菌的第一个分子识别剂。万古霉素是一种针对革兰氏阳性菌的糖肽抗生素，对单核增生李斯特菌具有特异性识别能力。利用Fe₃O₄纳米粒子簇(NPC)修饰的核酸适体作为信号扩增纳米探针。核酸适体是一种能够特异性结合目标分子的单链DNA或RNA片段，这里被用来特异性识别单核增生李斯特菌的细胞壁。由于万古霉素和适体的识别位点不同，这种“三明治”识别模式提高了检测的特异性。与单个Fe₃O₄纳米颗粒(NP)相比，NPC在显色反应中表现出更强的集体效应催化活性。当NPC与目标细菌结合后，能够催化显色底物发生颜色变化，这种颜色变化与目标物的浓度成正比，从而实现了视觉检测。

作者通过实验验证了该方法的灵敏度，能够在5.4 x 10³ ~ 10⁸ cfu/mL的浓度范围内检测单核增生李斯特菌，目视检出限为5.4 *10³ cfu/mL。同时，与基于Fe₃O₄ NP的方法相比，基于NPC的方法显示出更高的灵敏度。

综上所述，作者通过创新性地结合纳米技术和分子生物学技术，提出了一种新型的食源性致病菌视觉检测方法，为食品安全检测提供了新的思路和技术手段。该生物传感器在食品安全、公共卫生和环境监测等领域具有广阔的应用前景。特别是在食品加工链中，能够快速、准确地检测单核增生李斯特菌等致病菌，对于预防食源性疾病具有重要意义。未来进一步优化NPC的制备工艺，提高其稳定性和催化效率。探索更多种类的适配体，以提高对特定病原体的识别能力和特异性。开发便携式检测设备，实现现场即时检测（POCT）。研究与其他检测技术的联用，如结合电化学或荧光传感技术，进一步提升检测性能。

图1所示。Fe₃O₄NPC的制备示意图(A)，基于Fe₃O₄NP的生物传感器原理(B)，以及Fe₃O₄ NPC催化的信号放大生物传感器(C)。

图2所示。(A)用RhB标记的Van和FITC标记的适配体染色的单核增生李斯特菌的荧光显微照片。(1-2)亮场图像;(3-4)红色荧光通道图像;(5-6)绿色荧光通道图像;(7-8)由绿色和红色合并的图像;(B) BSA-Van、BSA和活化Van的紫外-可见吸收光谱;(C) Fe₃O₄NP的TEM图像，Fe₃O₄ NP探针捕获单核增生李斯特菌。