中国工程院食品安全院士团队

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食品安全一直是全球关注的焦点，尤其是由食源性病原体引发的疾病，不仅对人类健康构成威胁，还给社会经济带来沉重负担。其中，大肠杆菌O157:H7（E. coli O157:H7）因其能够产生志贺毒素，引发严重的血性腹泻、肾衰竭甚至死亡，成为食品安全领域的重要检测目标。传统的检测方法如平板培养法操作繁琐且耗时长，无法满足快速检测的需求。尽管聚合酶链反应（PCR）和等温扩增技术在一定程度上提高了检测效率，但仍需复杂的样品前处理步骤。因此，开发一种快速、灵敏且操作简便的检测方法显得尤为重要。

近日，来自中南林业科技大学的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上发表了一项突破性研究，提出了一种基于噬菌体M13诱导的“一对多”荧光共振能量转移（FRET）传感器，用于高效检测大肠杆菌O157:H7。该传感器不仅具有极高的灵敏度，检测限低至6 CFU/mL，还在选择性、检测时间、准确性和存储稳定性方面表现出色，为食品安全、环境监测和医学诊断提供了强有力的工具。

FRET技术的优势与挑战

荧光共振能量转移（FRET）是一种高效的检测技术，能够通过能量从供体荧光分子向受体荧光分子的转移来实现精确的定量分析。FRET技术具有抗背景荧光干扰和环境干扰的能力，因此在复杂样品中的应用前景广阔。然而，传统的FRET技术存在一个显著的限制：每个识别事件只能触发一次FRET（“一对一”信号模式），这限制了其在痕量目标检测中的灵敏度。

为了克服这一限制，研究团队提出了“一对多”信号放大策略。通过利用噬菌体M13的结构特性，研究团队成功实现了单个识别事件触发多次FRET，从而显著提高了检测灵敏度。

“一对多”FRET传感器的构建与工作原理

研究团队利用磁性微球（MBs）作为捕获探针，将特异性识别大肠杆菌O157:H7的适配体固定在磁性微球表面，用于从食品样品中分离目标细菌。随后，功能化的噬菌体O157S-M13K07-SBP作为检测探针，与目标细菌结合。由于P8蛋白的N端距离精确固定，链霉亲和素标记的FRET供体（SA-QD460）和受体（SA-QD620）可以通过SBP与SA的结合固定在噬菌体表面，形成FRET探针。每个噬菌体表面可以发生约605次FRET事件，从而实现了信号放大。

图1 A. M13噬菌体的结构。M13外表面黄色突出显示的氨基酸残基代表N端丙氨酸，链霉亲和素结合肽（SBP）即插入此处。B.通过两步定点诱变构建O157S-M13K07-SBP噬菌体载体。C. O157S-M13K07-SBP诱导并放大的用于高灵敏度检测大肠杆菌O157:H7的FRET传感器示意图。

传感器的性能评估

研究团队对该传感器的性能进行了全面评估。实验结果表明，该传感器在PBS、牛奶、猪肉和生菜样品中对大肠杆菌O157:H7的检测限分别为6 CFU/mL、15 CFU/mL、18 CFU/mL和17 CFU/mL，线性范围从5.9×10¹到5.9×10⁸ CFU/mL。此外，该传感器在选择性、准确性和存储稳定性方面也表现出色。即使在储存一个月后，FRET信号仍保持在80%以上，显示出良好的长期稳定性。

图2 A.噬菌体诱导的福斯特共振能量转移（FRET）传感器的选择性。利用FRET探针（O157S-M13K07-QD460/620）中的QD620对荧光信号进行定量分析。大肠杆菌O157:H7（ATCC43888）的浓度为5.9×10⁴ CFU/mL，其他细菌浓度为10⁵ CFU/mL，牛血清白蛋白（BSA）浓度为0.1%，单价离子浓度为100 mM，二价离子浓度为20 mM。B. FRET探针O157S-M13K07–QD460/QD620的储存稳定性。每个数据均为3个独立样本的平均值（n=3）。

实际应用与前景

为了验证该传感器的实际应用能力，研究团队在牛奶、生菜、猪肉和湖水样品中进行了加标回收实验。结果显示，回收率在82.3%至119.2%之间，相对标准偏差（RSD）在2.0%至9.2%之间，表明该传感器在实际样品中具有高准确性和重复性。

图3 利用噬菌体诱导的FRET传感器对大肠杆菌O157:H7进行定量检测。图中展示了在牛奶、猪肉和生菜中检测浓度为5.9×（1、10、10^²、10³、10⁴、10⁵、10⁶、10⁷、10⁸）CFU/mL的大肠杆菌O157:H7时的荧光光谱（A、C、E）以及相应的FRET信号（E%）（B、D、F）。每个数据点均为3个独立样本的平均值（n=3）。误差棒表示3次测量的标准差。

这项研究的成功不仅为大肠杆菌O157:H7的检测提供了一种高效、灵敏的新方法，还为FRET传感器的设计开辟了新的思路。通过修改P3蛋白上的识别肽，该平台可以进一步应用于其他目标物的检测，如其他病原菌、环境污染物或生物标志物。

结论

这项研究展示了噬菌体M13在FRET传感器中的巨大潜力。通过“一对多”信号放大策略，研究团队成功开发了一种高灵敏度、高选择性的FRET传感器，能够快速、准确地检测食品和环境样品中的大肠杆菌O157:H7。这一技术的推广应用将为食品安全和公共卫生领域带来深远影响，并为未来的生物传感器设计提供新的方向。

随着技术的不断进步，我们有理由相信，基于噬菌体的FRET传感器将在更多领域发挥重要作用，为人类健康和环境保护提供更加可靠的保障。

参考文献：Meng M, Ma X, Yu L, et al. Phage-induced “one-to-many” FRET sensor for highly sensitive detection of Escherichia coli O157: H7[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2024, 264: 116661.

来源：微生物安全与健康网，作者~蔡伟程。