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天津工业生物所在木糖电化学生物传感器方面取得新进展
  发布时间:2021-09-14    供稿部门:体外合成生物学中心

  电化学传感器检测是实现发酵过程监控、产品品质分析及成分鉴别的重要手段,已经广泛地应用在发酵过程中。以氧化还原酶为识别元件的电化学生物传感器是其中重要的一类。目前,以葡萄糖检测为代表的氧化酶生物电化学传感检测方法已较为成熟,但自然界大部分发酵原料、中间代谢产物或终产物缺乏与之对应的专一性氧化酶,只具有专一性脱氢酶,如木糖,苹果酸、大部分氨基酸等。因此,为了检测这些分子,亟需发展以脱氢酶为识别元件的电化学生物传感器。大部分脱氢酶在识别目标底物时,以辅酶NAD (NADP)为电子受体,辅酶的不稳定性以及在发酵样品中本底存在的NAD(H)NADP(H),会对脱氢酶生物传感器造成很大干扰。 

  以木糖为例,作为生物质含量第二多的单糖,随着合成生物学研究的发展,木糖很可能会成为生物发酵用的主要碳源之一,因此实现木糖在发酵液中的简便快捷检测将会具有极大的应用价值。目前木糖的检测只能依赖于液相色谱,分析时间较长,而且对操作人员技能和设备要求均较高。不同于已经实现生物电化学传感的葡萄糖检测方法,木糖由于没有相应的氧化酶,只能使用辅酶依赖型的木糖脱氢酶作为识别元件,此前,球探网开户网址天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心朱之光研究员带领的团队构建了一个基于木糖脱氢酶的生物传感器,通过高效的酶固定化技术和辅酶再生纳米酶的协同催化,使其对纯糖样品具有良好的检测性能。然而对于真实发酵样品,由于辅酶干扰的存在,其检测值会出现较大偏差(Analyst 2020,145:5563Nanoscale 2020, 12: 19284)。因此,如何去除发酵样品中辅酶的干扰,是实现发酵样品精确检测的关键。 

  为了解决这一难题,近日,该团队从辅酶电化学再生时容易失活这一现象获得启发,基于相关分子机制,开发出一种可高效去除发酵样品等复杂环境下的辅酶的便捷方法,并成功设计了一种用于检测发酵样品的集成型木糖生物传感装置。该装置由发酵样品预处理室和样品分析室两部分构成,在样品预处理室中采用廉价的泡沫镍作为工作电极,偶联循环伏安法实现对NAD(H)NADP(H)的去除;在样品分析室,将作为识别元件的木糖脱氢酶和用于再生生物活性NAD的黄递酶共固定在磁性纳米粒子的表面,并进一步涂覆在修饰了电子中介体的磁性玻碳电极表面,构成生物电极用于木糖的检测。该装置对木糖的检测范围为 0.5 g L-1 10 g L-1,检测限为 0.01 g L-1,重复使用10次后,仍保持原活力的77%,放置35天后可保持原活力的85%,满足真实发酵样品的检测条件,并实现了检测的高选择性和高重现性。相关装置原型也已开发出,其制备过程简单,价格低廉,有望实现实际应用。该研究也为其它可用于真实复杂样品检测的基于脱氢酶的生物传感器构建提供了思路。 

  该研究获得了国家自然科学基金、天津市自然科学基金等项目的资助,相关研究成果已申请2项发明专利,论文发表在SCI期刊Biosensors and Bioelectronics上。天津工业生物所助理研究员宋海燕为论文第一作者,朱之光为论文通讯作者。 

  文章链接 

木糖脱氢酶生物传感装置的工作原理示意图 

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