食源性致病菌通過食物傳播引起疾病感染，對人類健康和全球經濟造成了嚴重的影響。金黃色葡萄球菌（S. aureus）作為一種常見的食源性致病菌，經常在受污染的食品中產生毒素和酶，導致膿胸、軟組織感染、肺炎和腹瀉等疾病。如何有效預防、監控和控制S. aureus的污染是研究人員關注的熱點和重要課題。由于S. aureus在正常環境條件下能夠迅速復制，即使在低濃度下也會對人類健康構成嚴重威脅。因此，對極低含量的S. aureus進行早期檢測，不僅能有效預防受污染食品對消費者健康的危害，還能抑制食源性疾病的爆發。

近期，江蘇師范大學馮秋梅副教授、王頗教授課題組基于兩步共振能量轉移和比率型傳感策略，構建了一種靈敏、可靠檢測和滅活S. aureus的新方法。相關成果以“Two-stepresonance-energy-transfer-based ratiometric biosensor for sensing andannihilation of Staphylococcus aureus”為題發表在國際化學權威雜志Chemical Communications上（DOI:10.1039/d3cc05300h）。

研究的主要內容

本研究設計了一個新型的兩步共振能量轉移（RET），結合雙元素識別觸發的目標轉導和催化發夾組裝技術（CHA），利用熒光（FL）和電致化學發光（ECL）雙模式傳感策略，提高生物傳感器的靈敏性和準確性，并應用于S. aureus的檢測分析。其中，萬古霉素（Van）和適配體作為雙識別單元涂覆在磁珠上，同時與S. aureus的肽聚糖和表面蛋白發生作用。當H1和H2存在時，CHA被激活，帶來電極表面H2發夾結構打開形成桿狀。金納米球（Au NPs）和熒光染料（FAM）在S-Au NPs:P-FAM雙鏈中靠近，滿足熒光共振能量轉移（FRET）機制，導致來自FAM的FL信號猝滅（FL off，第一步RET）。當傳感界面與上述的S-Au NPs:P-FAM雙鏈孵育后，S-Au NPs將通過S-Au NP納米復合物和H2單鏈部分之間的雜交而引入電極界面。由于硫化鎘量子點（CdS QDs）與Au NPs之間ECL-RET效應，導致CdS QDs ECL信號猝滅（ECL off，第二步RET）。此時，在剩下的單鏈P-FAM中，FL響應恢復（FL on）。依據FL和ECL信號的反向變化趨勢，該生物傳感器實現了S. aureus檢測。

圖一：兩步RET和比率型傳感策略用于檢測和滅活S. aureus的原理圖

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

經過探針濃度和CHA反應時間的優化后，通過記錄傳感界面對不同濃度S. aureus ECL和FL響應，研究傳感器的定量分析性能。在5至108 CFU/mL的線性范圍下，得到檢測限為1 CFU/mL。此外，當不同的菌株（E. coli、L. monocytogenes、B. subtilis、S.typhimurium和S. aureus）存在時，該傳感器僅對目標S. aureus產生信號響應，表明其具有強特異性。

圖二：生物傳感器定量檢測S. aureus響應圖和選擇性驗證圖

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

在準確鑒定病原菌后，高效殺滅它們是預防進一步傳播和食品污染的關鍵。因此，該體系進一步對S. aureus的抗菌活性進行了驗證。萬古霉素（Van），作為一種糖肽類抗生素，具有與革蘭氏陽性菌高特異結合能力，有效地破壞其細胞外膜，從而引發代謝過程的破壞，然后導致細菌死亡。因此，將Van標記在W鏈的末端（W-Van），同時實現S. aureus的識別和滅活。結果顯示，W-Van表現出與時間相關的抗菌行為，在15分鐘內沒有S. aureus存活，且其球形結構被明顯破壞成凹陷形狀，表明該傳感器具有良好的滅菌特性。

圖三：S. aureus的滅活表征圖

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

小結：

綜上所述，該研究構建了一種準確、靈敏和可靠檢測S. aureus的傳感方法。在該體系中，利用目標激活的多重信號放大策略，包括從FAM到Au NPs的FRET，從CdS QDs到Au NPs的高效ECL-RET，以及CHA，傳感器的靈敏度得到了提高，S. aureus的檢測限值遠低于其他一些方法。此外，Van和適配體的雙識別元素不僅提高了S. aureus識別的準確性和可靠性，而且也起到高效的滅活作用。結合雙模響應內置自校準特性，比率型傳感策略有效排除了來自目標無關因素的潛在干擾，從而賦予了目標檢測的高準確性。鑒于上述可行性、可靠性和杰出的信號放大能力，所構建的生物傳感器將成為食源性致病菌感染早期診斷和治療的有力工具。

審核編輯 黃宇