新型基因工程噬菌体实现细菌精准检测

新型基因工程噬菌体实现细菌精准检测

噬菌体是结合并感染特定细菌菌株的病毒，其特异性靶向细菌的能力使其成为检测和对抗宿主细菌的有用工具。最近，研究人员开发了一种新型的基因工程噬菌体，能够通过链霉亲和素-生物素系统固定在磁性颗粒上，从而实现对细菌的高效捕获、分离和检测。

噬菌体（噬菌体）是结合并感染特定细菌菌株的病毒。它们特异性靶向细菌的能力使它们成为检测和对抗宿主细菌的有用工具。噬菌体的蛋白质结构允许通过氨基酸侧链和材料表面上的官能团之间的亲和相互作用进行固定。对于大多数应用，噬菌体需要被其带负电荷的衣壳固定，以允许带正电荷的尾纤维正确定向。尾纤维负责结合细菌并触发感染，向外朝向样品。二氧化硅、纤维素、金和碳材料已用带正电荷的化合物或聚合物进行功能化，以允许噬菌体通过其衣壳固定。与非功能化对照相比，固定在化学功能化金上的电荷导向噬菌体具有更高的噬菌体沉积密度和细菌捕获能力。

此外，噬菌体可以进行基因改造以进行位点特异性固定。与噬菌体衣壳蛋白基因融合的蛋白质亲和标签基因可以掺入噬菌体基因组或从质粒外源表达以产生衣壳修饰的噬菌体。这种成熟的“噬菌体展示”方法经常用于研究制药应用中的蛋白质-蛋白质相互作用，并已用于将噬菌体固定在纤维素和链霉亲和素载体。

在这项研究中，mSA基因与T4噬菌体基因组中的高抗原性外衣壳蛋白 （Hoc） 基因融合，以产生一种新型衣壳修饰噬菌体，能够将定向固定到生物素包被的材料上。使得链霉亲和素-生物素系统中更昂贵的成分可以在宿主细菌感染期间合成。然后在病毒组装过程中，mSA-Hoc在噬菌体衣壳上自组装。本研究选择了携带特征明确的大肠杆菌感染T4噬菌体的荧光素酶基因变体，通过将噬菌体固定在生物素包被的磁性纳米颗粒上来评估mSA-Hoc的功能，并应用在检测大肠杆菌中。

图1 基因工程工作流程

注：（a） 两个质粒编码形成CRISPR效应复合物的所有组分，能够识别和切割噬菌体基因组中的目标DNA序列。一个质粒还递送由所需DNA组成的供体DNA序列，该序列被掺入噬菌体基因组中，两侧是与噬菌体基因组切割位点同源的区域。（b） 野生型噬菌体感染含有编码CRISPR效应复合物成分和供体DNA的质粒的细菌细胞。噬菌体基因组被CRISPR效应复合物切割。裂解的噬菌体基因组通过同源重组与供体DNA序列进行自我修复。（c） 重组噬菌体后代在裂解复制周期结束时从细菌细胞中释放出来。（d） 重组噬菌体在众多生物技术应用中具有改进的功能能力。

图2 基于噬菌体的大肠杆菌检测流程图

结论：

本研究开发了一种高效、针对特定位点且低成本的方法，将噬菌体固定在固体载体上。作者对噬菌体进行基因工程改造，以允许在细菌宿主感染期间合成单体链霉亲和素。将单体链霉亲和素与衣壳蛋白 （Hoc） 融合，以允许每个衣壳多达155个融合蛋白进行位点特异性自组装。生物素包被的磁性纳米颗粒用mSA-Hoc T4噬菌体功能化，在大肠杆菌检测测定中得到证实，检测限为 在100 mL水中< 10 CFU。这项工作突出了具有新型衣壳修饰的转基因噬菌体的创造，扩大了噬菌体功能化生物技术的潜力。

参考来源：

Carmody CM, Nugen SR. Monomeric streptavidin phage display allows efficient immobilization of bacteriophages on magnetic particles for the capture, separation, and detection of bacteria. Sci Rep. 2023 Sep 27;13(1):16207. doi: 10.1038/s41598-023-42626-9. PMID: 37758721; PMCID: PMC10533843.