基于线性因果调控和自催化DNA电路的沙门氏菌检测新策略

沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）是一种广泛存在于食品中的致病菌，每年导致数百万人感染，引发腹泻、发热和恶心等症状。传统的检测方法如微生物平板培养耗时较长，而酶联免疫吸附测定（ELISA）、聚合酶链反应（PCR）和基因测序等方法则存在操作复杂、成本高昂等问题。因此，开发一种快速、灵敏且特异性强的检测方法对于食品安全和公共卫生至关重要。

近期，中国济南大学的研究团队在《Food Control》杂志上发表了一项创新研究，提出了一种基于线性因果调控和自催化驱动的DNA电路（LC@ADC）的荧光生物传感策略，用于高灵敏度和特异性检测沙门氏菌。这一技术通过结合杂交链反应（HCR）和DNA酶驱动的CRISPR/Cas12a激活，实现了信号的级联放大和可控的DNA电路设计。

技术原理

LC@ADC策略的核心在于一种因果DNA电路的设计。该电路通过特定的核酸探针和DNA结构实现对沙门氏菌的特异性识别和信号放大。具体来说，该系统包括一个拱形探针（Apt-T），用于识别沙门氏菌，以及五个DNA探针，用于信号传导和荧光信号输出。在沙门氏菌存在时，Apt-T探针中的适配体与细菌结合，释放出T链，从而触发HCR反应。HCR反应通过两个DNA发夹结构（H1和H2）的展开，形成含有大量DNA酶的双链DNA纳米线。这些DNA酶在Mg²⁺存在下被激活，切割阻断的crRNA，从而释放出CRISPR/Cas12a系统的活性crRNA。最终，Cas12a/crRNA复合物激活，切割荧光淬灭探针（FQ），产生显著增强的荧光信号。

图1 （A）LC@ADC 策略的示意图。（B）LC@ADC 策略检测鼠伤寒沙门氏菌的详细工作原理

 技术优势

LC@ADC策略具有多个显著优势。首先，它通过HCR和DNA酶的结合实现了信号的多级放大，显著提高了检测灵敏度。实验表明，该方法的检测范围为10到10⁵ CFU/mL，检测限低至6.53 CFU/mL，远低于传统方法和其他现有技术。其次，该方法通过双重阻断crRNA和隐藏DNA酶的设计，有效避免了假阳性结果的出现。此外，该策略操作简便，无需复杂的样本预处理，适合快速检测。

图2 (A) LC@ADC策略对不同浓度鼠伤寒沙门氏菌的荧光光谱。(B)荧光强度与鼠伤寒沙门氏菌浓度的相关性。附图：鼠伤寒沙门氏菌浓度对数对应的校准图

 实验验证

研究团队通过一系列实验验证了LC@ADC策略的可行性和有效性。实验结果表明，该方法对沙门氏菌具有高度特异性，即使在存在其他常见食源性病原体（如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的情况下，也能准确识别沙门氏菌。此外，该方法还成功应用于橙汁、鸡肉和湖水样本的检测，回收率在95.4%到103.1%之间，相对标准偏差小于5.2%，显示出良好的准确性和可靠性。

图3 鼠伤寒沙门氏菌LC@ADC策略对其他对照致病菌的特异性评价。所有病原菌浓度均为1 × 10 5 CFU/mL。误差条，SD, n = 3, ****P≤0.0001

图4 三种实际样品中不同浓度鼠伤寒沙门氏菌的荧光光谱。误差条，SD, n = 3

 表1 LC@ADC策略检测实际样品中的鼠伤寒沙门氏菌（n = 3）

 创新之处

该策略的创新之处在于巧妙地结合了杂交链式反应（HCR）、DNAzyme 驱动的 CRISPR/Cas12a 激活机制，构建了线性因果调控和自催化驱动的 DNA 电路，实现了对目标菌的高灵敏度和高特异性检测。通过一系列严谨的实验验证和条件优化，其检测限低至 6.53 CFU/mL，在实际样本检测中表现出与传统方法相当的准确性，且具有操作简便、耗时短等优势。

应用前景

LC@ADC策略不仅为沙门氏菌的检测提供了一种高效、灵敏的新方法，还具有广泛的扩展性。通过重新设计适配体区域，该技术可以轻松扩展到其他病原体的检测，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和副溶血性弧菌等。此外，该技术还可进一步开发为检测试剂盒，应用于食品加工、水质监测和环境检测等领域。

参考文献：

Ren X, Sun W, Li B, et al. Construction of Linear Causal-regulated and Autocatalysis-driven DNA Circuits for Highly Sensitive and Specific Detection of Salmonella Typhimurium[J]. Food Control, 2025: 111153.