江苏师范大学：基于两步共振能量转移的比率型生物传感器在金黄色葡萄球菌检测与灭活中的应用

食源性致病菌通过食物传播引起疾病感染，对人类健康和全球经济造成了严重的影响。金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为一种常见的食源性致病菌，经常在受污染的食品中产生毒素和酶，导致脓胸、软组织感染、肺炎和腹泻等疾病。如何有效预防、监控和控制S. aureus的污染是研究人员关注的热点和重要课题。由于S. aureus在正常环境条件下能够迅速复制，即使在低浓度下也会对人类健康构成严重威胁。因此，对极低含量的S. aureus进行早期检测，不仅能有效预防受污染食品对消费者健康的危害，还能抑制食源性疾病的爆发。

近期，江苏师范大学冯秋梅副教授、王颇教授课题组基于两步共振能量转移和比率型传感策略，构建了一种灵敏、可靠检测和灭活S. aureus的新方法。相关成果以“Two-stepresonance-energy-transfer-based ratiometric biosensor for sensing andannihilation of Staphylococcus aureus”为题发表在国际化学权威杂志Chemical Communications上（DOI:10.1039/d3cc05300h）。

研究的主要内容

本研究设计了一个新型的两步共振能量转移（RET），结合双元素识别触发的目标转导和催化发夹组装技术（CHA），利用荧光（FL）和电致化学发光（ECL）双模式传感策略，提高生物传感器的灵敏性和准确性，并应用于S. aureus的检测分析。其中，万古霉素（Van）和适配体作为双识别单元涂覆在磁珠上，同时与S. aureus的肽聚糖和表面蛋白发生作用。当H1和H2存在时，CHA被激活，带来电极表面H2发夹结构打开形成杆状。金纳米球（Au NPs）和荧光染料（FAM）在S-Au NPs:P-FAM双链中靠近，满足荧光共振能量转移（FRET）机制，导致来自FAM的FL信号猝灭（FL off，第一步RET）。当传感界面与上述的S-Au NPs:P-FAM双链孵育后，S-Au NPs将通过S-Au NP纳米复合物和H2单链部分之间的杂交而引入电极界面。由于硫化镉量子点（CdS QDs）与Au NPs之间ECL-RET效应，导致CdS QDs ECL信号猝灭（ECL off，第二步RET）。此时，在剩下的单链P-FAM中，FL响应恢复（FL on）。依据FL和ECL信号的反向变化趋势，该生物传感器实现了S. aureus检测。

图一：两步RET和比率型传感策略用于检测和灭活S. aureus的原理图

（来源：Chem. Commun., 2024, DOI: 10.1039/d3cc05300h）

经过探针浓度和CHA反应时间的优化后，通过记录传感界面对不同浓度S. aureus ECL和FL响应，研究传感器的定量分析性能。在5至108 CFU/mL的线性范围下，得到检测限为1 CFU/mL。此外，当不同的菌株（E. coli、L. monocytogenes、B. subtilis、S.typhimurium和S. aureus）存在时，该传感器仅对目标S. aureus产生信号响应，表明其具有强特异性。

图二：生物传感器定量检测S. aureus响应图和选择性验证图

（来源：Chem. Commun., 2024, DOI: 10.1039/d3cc05300h）

在准确鉴定病原菌后，高效杀灭它们是预防进一步传播和食品污染的关键。因此，该体系进一步对S. aureus的抗菌活性进行了验证。万古霉素（Van），作为一种糖肽类抗生素，具有与革兰氏阳性菌高特异结合能力，有效地破坏其细胞外膜，从而引发代谢过程的破坏，然后导致细菌死亡。因此，将Van标记在W链的末端（W-Van），同时实现S. aureus的识别和灭活。结果显示，W-Van表现出与时间相关的抗菌行为，在15分钟内没有S. aureus存活，且其球形结构被明显破坏成凹陷形状，表明该传感器具有良好的灭菌特性。

图三：S. aureus的灭活表征图

（来源：Chem. Commun., 2024, DOI: 10.1039/d3cc05300h）

小结：

综上所述，该研究构建了一种准确、灵敏和可靠检测S. aureus的传感方法。在该体系中，利用目标激活的多重信号放大策略，包括从FAM到Au NPs的FRET，从CdS QDs到Au NPs的高效ECL-RET，以及CHA，传感器的灵敏度得到了提高，S. aureus的检测限值远低于其他一些方法。此外，Van和适配体的双识别元素不仅提高了S. aureus识别的准确性和可靠性，而且也起到高效的灭活作用。结合双模响应内置自校准特性，比率型传感策略有效排除了来自目标无关因素的潜在干扰，从而赋予了目标检测的高准确性。鉴于上述可行性、可靠性和杰出的信号放大能力，所构建的生物传感器将成为食源性致病菌感染早期诊断和治疗的有力工具。

审核编辑 黄宇